[发明专利]利用碳纳米管的高功率激光封装

说明书

在一个实施例中，激光装置包括热粘合层，其中热粘合层包括碳纳米管阵列、设置在碳纳米管阵列和光束发射器之间的第一金属粘合材料、以及设置在碳纳米管阵列和第一电极支架之间的第二金属粘合材料。

相关申请

本申请要求于2016年8月30日提交的美国临时专利申请No.62/381,089的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。

技术领域

在各种实施例中，本发明涉及利用碳纳米管封装的高功率激光系统。

背景技术

高功率激光系统用于许多不同的应用，诸如焊接、切割、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括激光发射器，来自其的激光耦合到光纤(或简称为“光纤”)；以及将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上的光学系统。波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管线阵、二极管线阵的堆叠或以一维或二维阵列布置的其它激光器的输出功率和亮度的技术。已经开发了WBC方法以沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束。典型的WBC系统包括多个发射器，诸如一个或多个二极管线阵，其使用色散元件组合以形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独地谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，所述系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180，以及2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详细描述，每个专利的全部公开内容通过引用包含于此。

虽然诸如WBC的技术成功地生产用于各种应用的基于激光的系统，但这样的系统的较广泛采用导致了对较高水平的激光输出功率的需求。通常，较高的激光功率涉及以越来越高的电流驱动激光二极管，这导致较高的操作温度和目的在于防止基于温度的可靠性问题的伴随的热管理问题。高功率激光器通常使用具有一个或多个散热器或用于散热的其它热管理结构的激光发射器，并且这些结构通常经由焊料或其它柔软的可延展化合物耦合到发射器，即使在由热循环引起的部件之间的相对运动的情况下，该化合物也保持发射器和散热器之间的热接触。

虽然这种基于焊料的解决方案减轻了在高功率激光器操作期间由热循环引起的一些可靠性问题，但是焊料的使用还可能引入其它可靠性问题，诸如焊料蠕变。而且，许多传统的焊料可能缺乏使热量远离在高电流水平下操作的高功率激光装置充分传导所需的导热率。因此，需要用于高功率激光装置(例如，激光二极管和/或二极管线阵)的封装方案，其与现有的散热器和其它安装硬件兼容并且还提供来自激光装置的改进的热传导。

发明内容

根据本发明的实施例，激光束发射器经由热粘合材料附接到一个或多个散热器或其它热管理结构，所述热粘合材料包括一种或多种金属和碳纳米管阵列的复合物，基本上由其组成，或由其组成。复合物可以是层状的，例如，金属可以设置在一层、两层或其间排列有碳纳米管层的更多层中。在其它实施例中，复合物可以是其中一种或多种金属形成基质的混合物，在该基质中嵌入碳纳米管阵列。其它实施例仍然是层状结构，如上所述，其中一个或多个层是一种或多种金属和碳纳米管阵列的混合物。可以是单壁或多壁的碳纳米管具有2000-6000W·m^-1·K^-1的导热率，优于金刚石的导热率。在本发明的实施例中，例如在纳米管阵列的顶表面或底表面上，碳纳米管与金属组合，以促进发射器和高导热碳纳米管之间的热接触(以及在各种实施例中，电接触)。例如，金属可包括，基本上由如下组成，或由如下组成：铟(In)、锡(Sn)、金(Au)、AuSn和/或InSn，和或包括具有或不具有一种或多种其它金属的这些金属中的一种或多种金属的混合物或化合物。金属在室温下可以是可流动的和/或可变形的，以促进发射器与柔性较小且更脆的碳纳米管之间的接触。金属/纳米管复合物可用于补充或替代发射器和散热器或其它热管理结构之间的传统焊接材料。