[发明专利]用于高功率激光装置的封装

说明书

在各种实施方式中，诸如二极管线阵的激光发射器通过由在激光发射器所位于的冷却器中的端口形成的冷却流体的喷射流在操作期间被冷却。喷射流射到冷却器的撞击表面上，所述撞击表面热耦合到激光发射器但防止在冷却流体和激光发射器本身之间的直接接触。

相关申请

本申请要求2019年10月16日提交的美国专利申请序列号16/654,339的利益和优先权，该专利申请的全部公开内容通过引用包含于此。

技术领域

在各种实施方式中，本发明涉及激光装置，例如激光二极管和激光二极管线阵(laser diode bars)，特别是用于封装这样的激光装置的设备。

背景技术

高功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这样的激光系统通常包括激光发射器(来自其的激光耦合到光学纤维(或简单地“光纤”)内)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)是用于按比例调整来自激光二极管、激光二极管线阵、二极管线阵的堆叠或布置在一维或二维阵列中的其它激光器的输出功率和亮度的技术。WBC方法已经被开发出来以沿着发射器的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，例如一个或多个二极管线阵，其用色散元件组合起来以形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独地谐振，并通过来自公共部分反射输出耦合器的、由色散元件沿着光束组合维度滤波的波长特定反馈来稳定。在2000年2月4日提交的美国专利号6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利号6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利号8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利号8,559,107中详述了示例WBC系统，每件专利的全部公开内容通过引用包含于此。

虽然诸如WBC的技术已经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已经导致了对越来越高的激光输出功率水平的需求。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随之而来的热管理问题，其目的在于防止基于温度的可靠性问题。已经利用高度导热的底座来封装高功率激光系统的激光器，底座可限定封闭通道以便冷却液在其中流动，例如如在2015年3月24日提交的美国专利号9,178,333中所述的，该专利的全部公开内容通过引用包含于此。然而，甚至这样的解决方案也可能未完全解决在高功率激光系统中产生的所有热管理问题。而且，封装相关的问题例如机械稳定性、应力和腐蚀(由例如冷却流体引起)可能在高功率激光系统中产生。因此，有必要为高功率激光器改进封装系统，以解决此类设备的热、机械和电气的需要。

发明内容

根据本发明的实施方式，诸如激光二极管线阵的激光发射器利用被设计成致力于提高装置的机械、热和电气性能的多部件封装。本发明的实施方式以激光发射器的两件式阳极冷却器为特征；阳极冷却器的两个部分设计成优化激光发射器的液体冷却的功效，同时也抵抗有害的效应，例如腐蚀和机械变形。本发明的实施方式还可包括布置在激光发射器之上(和/或与之热接触和/或与之直接机械接触)的可选的阴极冷却器，以将额外的热从激光发射器传导走并进一步提高装置的热特性。

在各种实施方式中，阳极冷却器包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：底部阳极冷却器和布置在其上的与激光发射器直接接触的顶部阳极冷却器。底部阳极冷却器可包括以通孔或喷嘴的阵列为特征的主动冷却部分，通孔或喷嘴将冷却流体(例如水)向上引导到直接在激光发射器下面的顶部阳极冷却器的接收部分。冷却流体向顶部阳极冷却器的该部分的撞击在激光发射器的操作期间提供温度控制。冷却实现激光发射器在操作期间的较低结点温度，从而提供装置的提高的可靠性和/或实现激光发射器在高电流水平下运行，以获得较高功率输出。