激光器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光照明領(lǐng)域，尤其涉及一種激光器件。本發(fā)明提出了一種激光器件，包括圍繞中央柱體沿其軸向延伸的多只熱沉，在每只所述熱沉上沿所述中央柱體的軸向排布有多個集成有發(fā)光元件的列陣芯片，其中，在所述中央柱體的軸向方向上，相鄰熱沉上的相應(yīng)的所述列陣芯片相互錯開。其以最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)排布，權(quán)衡了各方面的性能，所制造的激光器件的發(fā)光功率、發(fā)光質(zhì)量均大大優(yōu)化，同時器件的縱向長度位于技術(shù)可成熟處理的范圍內(nèi)。
【專利說明】激光器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光照明領(lǐng)域，尤其涉及一種激光器件。
【背景技術(shù)】
[0002]作為先進(jìn)的制造技術(shù)，激光加工已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造等行業(yè)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化程度、環(huán)境友好度、減少材料消耗等起到重要的作用。在切割、焊接、表面處理等應(yīng)用中，對激光器的輸出功率要求越來越高。另外，激光加工的特殊性要求大多數(shù)激光加工設(shè)備的激光輸出形式為光纖輸出。因此對于大功率側(cè)泵激光模塊而言，不僅僅要求有足夠的激光輸出功率(千瓦以上)，而且需要具備較高的輸出激光的光束質(zhì)量。
[0003]常規(guī)側(cè)面泵浦激光模塊存在的問題是:
[0004]當(dāng)側(cè)面泵浦激光模塊輸出功率達(dá)到千瓦以上時，如果使用小功率額定輸出的激光二極管列陣芯片時，所需的激光二極管列陣芯片的排布需要較長的激光晶體棒。而由于激光晶體棒的制造技術(shù)限制，激光晶體棒的長度達(dá)到一定極限后就很難再增加。
[0005]如果使用高功率額定輸出的激光二極管列陣芯片，可以減少單只側(cè)面泵浦激光模塊使用激光二極管列陣芯片的數(shù)量。然而，當(dāng)使用高額定功率激光二極管列陣芯片時，激光二極管列陣芯片的發(fā)射功率密度將成倍提高，常規(guī)側(cè)面泵浦激光模塊中的激光晶體棒的熱透鏡效應(yīng)明顯加劇，側(cè)面泵浦激光模塊輸出的光束質(zhì)量明顯下降，從而使得激光光束無法耦合到輸出光纖中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)中，存在如下問題:當(dāng)側(cè)面泵浦激光模塊輸出功率達(dá)到千瓦以上時，如果使用小功率額定輸出的激光二極管列陣芯片時，所需的激光二極管列陣芯片的排布需要較長的激光晶體棒，而由于激光晶體棒的制造技術(shù)限制，激光晶體棒的長度達(dá)到一定極限后就很難再增加；而當(dāng)使用高額定功率激光二極管列陣芯片時，激光二極管列陣芯片的發(fā)射功率密度將成倍提高，常規(guī)側(cè)面泵浦激光模塊中的激光晶體棒的熱透鏡效應(yīng)明顯加劇，所產(chǎn)生的光質(zhì)量會下降。
[0007]針對上述問題，本發(fā)明提出了一種激光器件。其以最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)排布，權(quán)衡了各方面的性能，所制造的激光器件的發(fā)光功率、發(fā)光質(zhì)量均大大優(yōu)化，同時器件的縱向長度位于技術(shù)可成熟處理的范圍內(nèi)。
[0008]本發(fā)明提出了一種激光器件，包括圍繞中央柱體沿其軸向延伸的多只熱沉，在每只所述熱沉上沿所述中央柱體的軸向排布有多個集成有發(fā)光元件的列陣芯片，其中，在所述中央柱體的軸向方向上，相鄰熱沉上的相應(yīng)的所述列陣芯片相互錯開。
[0009]如此設(shè)計，不同熱沉上的列陣芯片的位置并非完全相同的直線連續(xù)排列，使得列陣芯片能夠以較合理的位置和密度布置在激光器件的周側(cè)面上。既能夠保證單位面積上的發(fā)光功率，又不會造成顯著的熱透鏡效應(yīng)，也不會使得中央柱體的軸向尺寸過長。[0010]優(yōu)選地，所有的列陣芯片具有相同的尺寸，且在所述熱沉上，相鄰的所述列陣芯片相互之間的間隔距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的尺寸的一半。
[0011]優(yōu)選地，在所述中央柱體的軸向方向上，相鄰的熱沉上的相應(yīng)的列陣芯片相互錯開特定距離，所述距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的尺寸或其一半。
[0012]如此地，在根據(jù)本發(fā)明的激光器件的側(cè)周面上，斜線上的列陣芯片組成了圍繞中央柱體的螺旋線排列。
[0013]優(yōu)選地，所述熱沉的數(shù)量為九只。
[0014]優(yōu)選地，在所述九只熱沉中，第一、四、七只熱沉上的列陣芯片的數(shù)量為十個。
[0015]優(yōu)選地，在所述九只熱沉中，第二、三、五、六、八、九只熱沉上的列陣芯片的數(shù)量為九個。
[0016]因?yàn)楸闷旨す庋刂醒胫w軸向的照射為螺旋線的排列形式，對于沿中央柱體軸向流動的冷卻水來講，散熱效果要比常規(guī)側(cè)面泵浦激光模塊的散熱效果更好。
[0017]優(yōu)選地，在所述中央柱體的軸向方向上，第一、四、七只熱沉上的首個列陣芯片的位置齊平，第二、五、八只熱沉上的首個列陣芯片的位置與第一、四、七只熱沉上的首個列陣芯片的位置錯開的距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的尺寸的一半，第三、六、九只熱沉上的首個列陣芯片的位置與第一、四、七只熱沉上的首個列陣芯片的位置錯開的距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的整個尺寸，第三、六、九只熱沉上的首個列陣芯片的位置與第二、五、八只熱沉上的首個列陣芯片的位置錯開的距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的尺寸的一半。
[0018]這樣的排列在中央柱體表面沿其軸向方向形成了螺旋方式布置且間隔均勻分布的泵浦激光照射。在中央柱體的軸向方向上，受到照射的泵浦激光長度為14.5只列陣芯片的長度，這種照射長度的模塊設(shè)計所需的中央柱體的長度在200mm以內(nèi)，位于成熟制造能力的范圍內(nèi)。
[0019]優(yōu)選地，所述發(fā)光元件為激光二極管。
[0020]優(yōu)選地，所述中央柱體為外部套有石英玻璃管的激光晶體棒。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，所需的激光晶體棒的長度在200_以內(nèi)，位于晶體棒的制造能力范圍。
[0021]優(yōu)選地，在所述中央柱體和所述石英玻璃管之間具有用于冷卻水的環(huán)狀管路，以及在所述熱沉上具有用于冷卻水的管路。如此冷卻水可迅速冷卻掉列陣芯片和激光晶體棒所散發(fā)的熱量，保證發(fā)光質(zhì)量。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的激光器件，單位芯片長度的區(qū)域內(nèi)的等效列陣芯片數(shù)量為6只，因此可以計算出單位芯片長度的中央柱體上所照射的額定泵浦光功率為40Wx6 = 240W，相比較于常規(guī)的激光器件上280W的額定泵浦光功率，晶體棒上的功率密度降低了 14%以上。這有效緩解了熱透鏡效應(yīng)，提升了發(fā)光質(zhì)量。
[0023]上述技術(shù)特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術(shù)特征來替代，只要能夠達(dá)到本發(fā)明的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中:
[0025]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光器件沿軸向的剖視圖；[0026]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光器件沿圖1中的AA線的剖視圖；
[0027]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光器件的側(cè)周面的展開示意圖；
[0028]圖4顯示了對比例中的激光器件沿橫向的剖視圖；
[0029]圖5顯示了對比例中的激光器件的側(cè)周面的展開示意圖；
[0030]圖6顯示了對比例I中的激光器件的效果示意圖；
[0031]圖7顯示了對比例2中的激光器件的效果示意圖；
[0032]圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的激光器件的效果示意圖。
[0033]在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實(shí)際的比例。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0035]本發(fā)明提出了 一種激光器件。
[0036]參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的激光器件包括位于中央的激光晶體棒3和圍繞在激光晶體棒3之外的石英玻璃管4。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的激光器件還包括圍繞激光晶體棒3和石英玻璃管4而沿其軸向(即垂直于圖1中AA方向的方向)延伸的多只熱沉。
[0038]圖2顯示了圖1中的激光器件沿AA方向的剖視圖。從圖2中可清楚地看出，該激光器件具有九只熱沉，分別標(biāo)示為11、12、13、14、15、16、17、18、19。
[0039]再次參照圖1。在每只熱沉11-19上排布有多個集成有激光二極管的列陣芯片2，所有的列陣芯片2均具有相同的尺寸，且在垂直于AA方向的軸向方向上，相鄰熱沉上的相應(yīng)的列陣芯片2相互錯開。
[0040]參照圖2，在激光晶體棒3和石英玻璃管4之間具有冷卻水管路9。而在熱沉上同樣形成有冷卻水管路，在圖2中熱沉中的冷卻水管路分別對應(yīng)標(biāo)示為81、82、83、84、85、86、87,88 和 89。
[0041]再次參照圖1，冷卻水7通過冷卻水管路從入水水腔5流動至出水水腔6，以帶走激光二極管列陣芯片2和激光晶體棒3所散發(fā)的熱量。
[0042]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光器件的側(cè)周面的展開示意圖。
[0043]參照圖3，在激光晶體棒3的軸向方向上(即圖3中的左右向)，相鄰的列陣芯片2相互之間的間隔距離優(yōu)選為列陣芯片2的尺寸的一半。相鄰的熱沉的相應(yīng)列陣芯片2相互錯開特定距離，該距離可以為列陣芯片2在激光晶體棒3的軸向方向上的尺寸或其一半。
[0044]關(guān)于熱沉上列陣芯片2的數(shù)量及排布，具體可采用如下方式:在九只熱沉中，熱沉
11、熱沉14和熱沉17上的列陣芯片2的數(shù)量為十個；熱沉12、熱沉13、熱沉15、熱沉16、熱沉18和熱沉19上的列陣芯片2的數(shù)量為九個。正如圖3中所示意性顯示的。
[0045]在激光晶體棒3的軸向方向上(即圖3中的左右向)，熱沉11、熱沉14和熱沉17上的列陣芯片2對齊排列，熱沉12、熱沉15和熱沉18上的首個列陣芯片2的位置與熱沉
11、熱沉14和熱沉17上的首個列陣芯片2的位置錯開的距離為列陣芯片2在激光晶體棒3的軸向方向上的尺寸的一半。熱沉13、熱沉16和熱沉19上的首個列陣芯片2的位置與熱沉11、熱沉14和熱沉17上的首個列陣芯片2的位置錯開的距離為列陣芯片2在激光晶體棒3的軸向方向上的尺寸。[0046]下面將結(jié)合對比例說明根據(jù)本發(fā)明的激光器件的明顯有利的效果。根據(jù)本發(fā)明的激光器件例如可使用84只40W額定功率的泵浦激光二極管列陣芯片2。
[0047]圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的激光器件的效果示意圖。
[0048]按照圖8所示意性顯示的，將泵浦激光二極管列陣芯片2排列在9只熱沉上。9只熱沉分別用標(biāo)號11?19來顯示，其中熱沉11、熱沉14和熱沉17上以同樣的排布方式分別排布10只泵浦激光二極管列陣芯片2，每兩個泵浦激光列陣芯片2之間留出二分之一芯片長度a(即芯片在激光晶體棒3的軸向方向上、即圖8的左右方向上的尺寸)的空隙。而熱沉12、熱沉15、熱沉18、熱沉13、熱沉16和熱沉19上分別排布9只激光二極管列陣芯片2，每兩個芯片2之間也是留出二分之一芯片長度a(即芯片在激光晶體棒3的軸向方向上、即圖8的左右方向上的尺寸)的空隙。熱沉12、熱沉15、熱沉18三只熱沉上的首個泵浦激光二極管列陣芯片2的排列位置相比較于熱沉11、熱沉14和熱沉17的三只熱沉上的泵浦激光二極管列陣芯片2的首芯片位置偏移二分之一個芯片長度a的位置。圖中示意性顯示為向右偏移。而熱沉13、熱沉16和熱沉19上排列的泵浦激光二極管列陣芯片2的首芯片位置相較于熱沉11、熱沉14和熱沉17的三只熱沉上的泵浦激光二極管列陣芯片2的首芯片位置偏移一個芯片長度a的位置。圖8中同樣示意性顯示為向右偏移。
[0049]從圖8上的三組輔助線A1、A2和A3來看，每一組輔助線上的泵浦激光二極管列陣芯片2組成了圍繞激光晶體棒3的螺旋線排列。這樣的排列在激光晶體棒3表面沿晶體棒軸向方向形成了螺旋方式布置且間隔均勻分布的泵浦激光照射。激光晶體棒軸向方向上所受到照射的泵浦激光長度L8為14.5只泵浦激光二極管列陣芯片的長度，這種照射長度的模塊設(shè)計所需的激光晶體棒3的長度在200_以內(nèi)，位于晶體棒3的成熟制造能力范圍中。
[0050]圖8中的另外兩條輔助線A4、A5所限定的單位芯片長度a的區(qū)域內(nèi)的等效泵浦激光二極管列陣芯片2的數(shù)量為6只，因此可以計算出單位芯片長度a中的激光晶體棒3上所照射的額定泵浦光功率為40Wx6 = 240W，相比較于常規(guī)的泵浦激光模塊上280W的額定泵浦光功率，晶體棒上的功率密度降低了 14%以上。這有效緩解了熱透鏡效應(yīng)，提升了發(fā)光質(zhì)量。另外，因?yàn)楸闷旨す庋鼐w棒軸向的照射為螺旋線的排列形式，對于沿晶體棒軸向流動的冷卻水來講，對晶體棒的散熱效果要比常規(guī)側(cè)面泵浦激光模塊的散熱效果更好。
[0051]下面可參照對比例。
[0052]圖4顯示了對比例中的激光器件沿橫向的剖視圖。
[0053]圖5顯示了對比例中的激光器件的側(cè)周面的展開示意圖。從圖5可見，對比例中的激光器件的不同熱沉上的列陣芯片2的排布方式為對齊排布,在激光晶體棒3的軸向方向上(即圖4中的左右向)沒有相互錯位。同時，所有熱沉上的列陣芯片2的數(shù)量都是相同的。
[0054]在這種情況中，任一熱沉上所封裝的泵浦激光二極管列陣芯片2的排列都是完全相同的直線連續(xù)排列。因此，用于泵浦目的的激光二極管列陣芯片2圍繞晶體棒3側(cè)表面的排列形式為多維、直線連續(xù)排列，即圍繞晶體棒3軸心排列為多維，沿晶體棒3軸線方向的排列為直線連續(xù)排列。
[0055]選用單只額定功率為40W的激光二極管列陣芯片2作為泵浦源，需要的激光二極管列陣芯片2數(shù)量為85只(40W*85 = 3400W)。
[0056]圖6顯示了對比例I中的激光器件的效果示意圖。在對比例I中，設(shè)置7個熱沉，則每個熱沉上安裝的泵浦激光二極管列陣芯片2的數(shù)量為INT (85 + 7) = 12只(只考慮整數(shù))，總芯片數(shù)量為84只。從圖6的熱沉平面展開后泵浦激光二極管列陣芯片2的排布可看出，單位芯片長度a上的激光晶體棒3上所接收到的滿額泵浦光功率為40W*7 = 280W。而在圖8所示的根據(jù)本發(fā)明的激光器件中，單位芯片長度a的激光晶體棒3上所照射的額定泵浦光功率為40Wx6 = 240W，晶體棒上的功率密度降低了 14%以上。
[0057]圖7顯示了對比例2中的激光器件的效果示意圖。在對比例2中，設(shè)置9個熱沉，則每個熱沉上安裝的泵浦激光二極管列陣芯片2的數(shù)量為INT (85 + 9) = 9只(只考慮整數(shù))，總芯片數(shù)量為81只。從圖7的熱沉平面展開后泵浦激光二極管列陣芯片2的排布可看出，單位芯片長度a上的激光晶體棒上所照射的額定泵浦光功率為40Wx9 = 360W。
[0058]在對比例2中，激光晶體棒3上所收到的照射泵浦功率密度遠(yuǎn)大于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的激光器件的激光晶體棒3所收到的照射功率密度，因此對比例2的激光器件的激光晶體棒的熱透鏡效應(yīng)遠(yuǎn)大于根據(jù)本發(fā)明的激光器件的側(cè)面泵浦激光模塊中的熱透鏡效應(yīng)。
[0059]當(dāng)然，如果僅設(shè)置5個熱沉,相較于設(shè)置7個熱沉的對比例I而言，具有更小的熱透鏡效應(yīng)，但是如果僅設(shè)置5個熱沉，激光器件中每個熱沉上的激光二極管列陣芯片2的數(shù)量達(dá)到了(85 + 5) = 17只，則激光晶體棒3所受泵浦激光輻照寬度將超過18.7個泵浦激光二極管列陣芯片長度，這時對激光晶體棒3總長度的要求遠(yuǎn)超出了目前制造晶體棒長度的能力限制。而根據(jù)本發(fā)明的激光器件的激光晶體棒3總長度則位于可接受的范圍內(nèi)。
[0060]因此，具有螺旋式間隔排列激光二極管列陣芯片2的側(cè)面泵浦激光模塊的激光器件具有更小的晶體棒熱透鏡效應(yīng)。在輸出同樣的模塊激光功率情況下，根據(jù)本發(fā)明的激光器件具有更好的光束質(zhì)量。同時具有較好的冷卻性能。
[0061]雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1.激光器件，包括圍繞中央柱體沿其軸向延伸的多只熱沉，在每只所述熱沉上沿所述中央柱體的軸向排布有多個集成有發(fā)光元件的列陣芯片，其特征在于，在所述中央柱體的軸向方向上，相鄰熱沉上的相應(yīng)的所述列陣芯片相互錯開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器件，其特征在于，所有的列陣芯片具有相同的尺寸，且在所述熱沉上，相鄰的所述列陣芯片相互之間的間隔距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的尺寸的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器件，其特征在于，在所述中央柱體的軸向方向上，相鄰的熱沉上的相應(yīng)的列陣芯片相互錯開特定距離，所述距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的尺寸或其一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器件，其特征在于，所述熱沉的數(shù)量為九只。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光器件，其特征在于，在所述九只熱沉中，第一、四、七只熱沉上的列陣芯片的數(shù)量為十個。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光器件，其特征在于，在所述九只熱沉中，第二、三、五、六、八、九只熱沉上的列陣芯片的數(shù)量為九個。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光器件,其特征在于，在所述中央柱體的軸向方向上，第一、四、七只熱沉上的首個列陣芯片的位置齊平，第二、五、八只熱沉上的首個列陣芯片的位置與第一、四、七只熱沉上的首個列陣芯片的位置錯開的距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的尺寸的一半，第三、六、九只熱沉上的首個列陣芯片的位置與第一、四、七只熱沉上的首個列陣芯片的位置錯開的距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的整個尺寸，第三、六、九只熱沉上的首個列陣芯片的位置與第二、五、八只熱沉上的首個列陣芯片的位置錯開的距離為所述列陣芯片在所述中央柱體的軸向方向上的尺寸的一半。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的激光器件，其特征在于，所述發(fā)光元件為激光二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的激光器件，其特征在于，所述中央柱體為外部套有石英玻璃管的激光晶體棒。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光器件，其特征在于，在所述中央柱體和所述石英玻璃管之間具有用于冷卻水的環(huán)狀管路，以及在所述熱沉上具有用于冷卻水的管路。
【文檔編號】H01S5/06GK103986059SQ201410172364
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】朱惠賢, 賀慧銘, 任逸維, 陳旭輝, 闞鳳旭 申請人:北京心潤心激光醫(yī)療設(shè)備技術(shù)有限公司