[发明专利]新型低成本水平阵列液体制冷半导体激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于激光器制造领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种 新型低成本水平阵列液体制冷半导体激光器及其制备方法。

背景技术

随着半导体激光器的性能稳定性、转换效率和输出功率的不断提高 ，大功率半导体激光器在工业、医疗和军事中的应用更加广泛，市场需 求巨大，发展前景更加广阔。

随着各激光器的应用领域的不断快速发展，各领域对半导体激光器 的要求也越来越高，这就需要大功率半导体激光器在输出光功率、转换 效率、可靠性和性能稳定性上进一步提高。激光器的性能除了与芯片有 关外，还跟激光器的散热和封装有关。为了提高激光器的可靠性和性能 稳定性，降低生产成本，设计高可靠性的封装结构和高效的散热结构， 同时又能兼顾简单和低成本的设计原则是半导体激光器设计生产所要追 求的。

目前，水平阵列大功率半导体激光器有传导冷却型(如Michael Leers， Konstantin Boucke，Manfred Gotz，et al.，Thermal resistance in dependence of diode laser packages，In：Mark S.Zediker eds.Proceedings of 56 SPIE， 2008.6876(687609))、传导加液体制冷型(武德勇，严地勇，唐淳，高松 信，高平均功率面阵二极管激光器散热分析，强激光与粒子束，第V13 (5)，2001.9)和微通道液体制冷型(Rushikesh M.Patel，David K.Wagner， Allen D.Danner，Kam Fallahpour，Richard S.Stinnett，“Use of micro-channel cooling for high-power two-dimensional laser diode arrays”，SPIE， vol.634：466-474(1992))三种封装形式。

对于传导冷却水平阵列大功率半导体激光器产品而言，由于采用被 动散热方式，激光器在生热量大时容易造成激光器温度过高，导致激光 器的波长漂移，寿命和可靠性下降，因此，功率扩展受到限制。

对于传导加液体制冷型大功率半导体激光器而言，激光器的激光输 出是垂直向上的，整个激光器的散热是通过连接激光器芯片的金属电极 将热传导至导热的绝缘层上，再由绝缘层将热传导至液体制冷器上，最 终将激光器的热量传导出去。此类激光器具有以下几点不足：

1)由于采用多个巴条直接一次回流成型的工艺方法，因此组装前无 法对每个芯片进行单独老化，只能组装好之后对整个器件进行整体老化。 这样，若其中某一个或几个巴条烧毁、短路或者不能正常工作，整个器 件也将全部失效。

2)由于采用多个巴条一次回流成型的生产工艺，因此芯片数不能太 多，否则很难保证精确定位和发光的一致性，所以芯片数通常只能限制 在3-4个，这就限制了水平阵列半导体激光器的功率扩展。

3)热交叉和累积的影响严重，由于焊接的芯片相互之间距离非常近， 会产生热的热交叉影响；而且冷却介质是串联带走热的，这会使一个激 光器热量的累积到下一个激光器，导致多个激光器上的温度分布不均匀， 从而导致输出波长不一致。

综上所述，尽管此类激光器可以单独老化，但散热效果还是不佳， 激光器的功率扩展仍受到限制。

对于使用微通道液体制冷器的大功率半导体激光器阵列而言，虽然 采用主动散热，散热能力增强，使激光器的功率得到很大的提高，但由 于微通道液体制冷器的本身不足，使其成本很高。加工难度极大，成本 较高导致该类水平阵列激光器的价格很高。具体而言，此类激光器有以 下几方面的缺陷：

1)使用和维护成本高。由于该制冷器的冷却液与电子器件正负极直 接接触，因此在工作时必须使用高质量的去离子水作为冷却介质，以防 止正负极导通。去离子水成本高，并且在使用时必须保持去离子水的低 电导率，因此使用和维护成本很高。

2)加工难度大。微通道液体制冷器由几层很薄的铜片层叠加工成型， 内部的微通道大约为300微米。在制造过程中，需要对每一层铜片进行 精确的加工，以使层叠后的微通道在液体流过时形成散热能力强的湍流。 因此，微通道制冷器的精确加工是一个难点。

3)制造成本高。由于微通道制冷器的精密加工难度相当大，其制造 成本也是非常高的。