[发明专利]一种半导体激光器的热管理装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器的热管理技术领域，尤其涉及一种高热流密度的半导体激光器的热管理装置。

背景技术

目前半导体激光器的冷却方法大致可分为辐射换热、传导换热和对流换热三大类。辐射换热主要针对热流密度较低的应用；传导换热则主要通过热沉、热电致冷器(TEC)等方式实现，热流密度相对辐射换热稍高；对流换热则主要利用气体、液体等流体，如利用风扇受迫对流空气即风冷为代表的中等热流密度散热技术和以通道水冷为代表的高热流密度散热技术。

采用相变换热方式来排走热量的研究也已经广泛开展。与单相传热或导热相比，采用相变传热方法所需工质少，具有热传输量大，传热效率高等特点，因此可减少重量和体积。其代表为热管技术，它以相变(蒸发与凝结)换热作为传热的主要方式，具有温度控制能力强、可解决高热流密度散热等特点，在计算机元器件散热方面的应用已引起重视。

当前半导体激光技术发展的一个显著趋势是平均功率的不断提升，随之而来的一个重要问题是如何对半导体激光(LD)系统进行有效的热管理，即是将LD产生的高热量迅速地散走。寻找具有高效热输运效能的散热方法多年来一直是人们追求的目标。

由于半导体光体积一般较小，加之目前多采用阵列结构，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的冷却空间，因此对于高功率LD而言，较之辐射换热，传导加对流的换热方式更具有优势。而对流换热中的微通道热沉冷却方案更是常用方案。作为主流技术微通道水冷方案，自身特点带来的一些限制。首先，以水作为工质热导率较低(仅为0.6W.m^-1.K^-1)，限制了其在微通道中的换热系数；第二，在水循环运行中长期运转会导致器件老化、腐蚀，从而导致对于水质及流动管道的要求较高，加之部分微通道水冷结构对水的电导率存在严格限制，因此，需要对水的电导率进行严格的控制且需经常更换；第三，由于水的热导率不高，导致冷却效率受到限制，单位时间内需要用较大的流量以将热量导出，结构复杂不利于装置小型化；第四，利用水冷方式仅能通过机械泵进行驱动，装置运行的噪声较大，为保证系统可靠性，必须采用分体式设计，因此在对装置体积有限制的应用场合面临困难。

而热管作为相变传热的冷却方式，尽管可达到相对单相流体更高的热流转移通量，但其制作工艺如芯体材料的制备、工质封装、维护及可靠性等仍有待于提高。

低熔点金属作为流动工质已经用于计算机芯片与半导体发光二极管(LED)芯片散热，最近几年来已被用于核反应堆和加速器的热管理之中。要将该技术运用到半导体激光器的热管理中，必须解决微通道冷却与半导体激光器热接口的问题。由于液态金属导电性好，直接用于激光器叠阵或面阵整体的微通道冷却，很容易导致器件的短路；而通过分布式冷却又受到面积限制难以解决高功率阵列结构的散热困难，所以到目前虽然本领域技术人员一直努力却未能实现直接用于半导体激光器及其阵列结构的热管理装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是如何提供一种半导体激光器的热管理装置，避免采用微通道水冷时，在水循环运行中长期运转导致器件老化、腐蚀，从而对流动管道与水质和电导率等的要求较高，且需经常更换流动工质，解决冷却效率不高、噪声大，并且结构复杂不利于装置小型化的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体激光器的热管理装置，其特征在于，包括一面与半导体激光器相连接的膨胀匹配导热层，膨胀匹配导热层的另一面与对流换热模块连接；

对流换热模块中有熔点范围从-10℃～60℃的低熔点金属；

对流换热模块包括热导率>100W.m^-1.K^-1的高热导率金属外壳。

优选地，对流换热模块通过管道与外部散热模块连接；

所述对流换热模块、管道、外部散热模块中有熔点范围从-10℃～60℃的低熔点金属；

所述对流换热模块、管道、外部散热模块形成流通的闭合回路；

对流换热模块、管道、外部散热模块中的液态金属由驱动泵进行驱动，驱动泵是机械泵，或者电磁泵，或者离心泵，或者上述几种泵的任意组合。

优选地,对流换热模块连接有散热翅片，或连接有风冷模块，或连接有辅助电制冷/制热器，或连接有对流换热的热沉，或连接有散热翅片、风冷模块、辅助电制冷/制热器、热沉的任意组合；

所述对流换热的热沉的几何结构通过焊接层/导热胶涂层与膨胀匹配导热层紧密连接。

所述金属外壳的成分为金、银、铜、铝。