излучательный модуль на основе линейки лазерных диодов (варианты)

Формула изобретения

1. Излучательный модуль на основе линейки лазерных диодов с прикрепленной к ней со стороны активного слоя теплоотводящей пластинкой, изготовленной из высокотеплопроводного материала по размеру линейки, отличающийся тем, что в поверхности пластинки в пределах области ее контакта с линейкой выполнена профилированная выемка в виде системы эквидистантно расположенных прямых щелевых каналов одинакового сечения, ориентированных перпендикулярно продольной оси линейки, предназначенных для прокачки охлаждающей жидкости.

2. Излучательный модуль по п.1, отличающийся тем, что объем каналов заполнен вставкой из микропористого проницаемого материала.

3. Излучательный модуль на основе линейки лазерных диодов с прикрепленной к ней со стороны активного слоя теплоотводящей пластиной, изготовленной из высокотеплопроводного материала по размеру линейки, отличающийся тем, что на поверхности пластинки в пределах области ее контакта с линейкой выполнен слой микрокапилляров с поперечной по отношению к продольной оси линейки ориентацией, который предназначен для прокачки охлаждающей жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области конструирования и применения полупроводниковых лазеров, в частности, разработки излучателей на основе лазерных диодов.

Заявляемое устройство служит конструктивной единицей (модулем) для сборки матриц лазерных диодов, предназначенных для использования в качестве источника накачки мощных твердотельных лазеров. Также оно может быть использовано и как самостоятельный источник когерентного излучения, который может найти применение в опто-электронных приборах и системах волоконно-оптической связи, оптических компьютерах, медицинском оборудовании, установках мониторинга состояния окружающей среды и многих других приложениях, где требуются компактные лазерные излучатели.

Одним из направлений создания излучателей на основе лазерных диодов с высокими значениями полной мощности и плотности потока излучения является объединение большого числа одинаковых полупроводниковых лазерных диодов (ЛД) в конгломераты различной конфигурации [1]. Наиболее простыми из них являются одномерные структуры в виде полоски, называемые линейками лазерных диодов (ЛЛД), в которых диоды соединены так, что их оптические оси взаимно параллельны и направлены по нормали к длинной стороне линейки (продольной оси), а вывод излучения осуществляется в одном, общем для всех диодов, направлении [1, 2]. Помимо самостоятельного применения ЛЛД часто используются в качестве конструктивных блоков (модулей) для составления двухмерных конгломератов - матриц лазерных диодов (МЛД). При этом полная мощность и плотность потока излучения МЛД определяются плотностью упаковки ЛЛД (их числом на единицу длины) и мощностью каждой ЛЛД. Проявление первого фактора зависит от геометрических параметров модуля на основе ЛЛД, второго - от величины предельно допустимого тока накачки, которая регулируется эффективностью охлаждения ЛЛД,

Независимо от конкретных различий в способах компоновки диодов в ЛЛД и МЛД, принципиально их конструкция включает две основные части - излучающую (сами диоды) и теплоотводящую. Необходимость последней обусловлена сильной зависимостью характеристик излучения ЛД от температуры его нагрева. Для успешного функционирования ЛД необходимо, чтобы в пределах длительности импульса тока накачки смещение спектра излучения ЛД, вызываемое разогревом активного (излучающего) слоя, не превышало 2 нм относительно начальной длины волны генерации, что соответствует пределу допустимых значений температуры нагрева активного слоя в 10 K [2]. Поскольку именно активный слой является доминирующим источником выделяемого при работе ЛД джоулева тепла, то эффективность его отвода является определяющим фактором, от которого зависят мощность и характеристики спектра излучения ЛД (ЛЛД).

Известен целый ряд излучателей на основе ЛЛД, описанных в работах [3], которые представляют собой различные модификации одной общей конструкции (фиг. 1). Согласно ей модуль состоит из отдельной ЛЛД 1, припаянной со стороны ее активного слоя 2 к поверхности тонкой пластинки прямоугольной формы 3, изготовленной из высокотеплопроводного материала (например, алмаза, меди, бериллиевой керамики). Пластинка является проводником тепла к теплообменнику 4, на охлаждаемой поверхности которого жестко закреплена (припаяна) ее торцевая грань. В таком устройстве эффективность теплоотвода от активного слоя ЛЛД определяется пропускной способностью пластинки, которая в данном случае ограничена малым значением поперечного сечения. При объединении таких модулей в МЛД их конструкция позволяет достигнуть высокой плотности размещения линеек, но из-за неудовлетворительного теплоотвода она не способна обеспечить высокие значения полной мощности излучения матрицы. Кроме того, это устройство требует повышенной точности в креплении пластинок к поверхности теплообменника, что усложняет его изготовление.

Другой известной конструкцией излучателя на основе ЛЛД является устройство, описанное в [4], (фиг. 2). В нем ЛЛД 1 припаивается со стороны активного слоя 2 непосредственно к поверхности теплообменника 3. Это позволяет исключить главный недостаток предыдущей конструкции - пластинку, соединяющую активный слой ЛЛД с теплообменником, как промежуточный проводник тепла, и тем самым качественным образом улучшить теплоотвод. Однако подобный способ размещения ЛЛД требует дополнительной, прецезионной системы отвода излучения, выполненной в виде выступов с зеркальными гранями 4 на поверхности теплообменника 3, расположенных по обе стороны от ЛЛД. Поэтому данная конструкция не позволяет достигнуть высокой плотности размещения ЛЛД при объединении подобных излучателей в МЛД.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по своему техническому содержанию из известных конструкций можно считать излучательный модуль на основе ЛЛД, который разработан для сборки МЛД, описанной в [5], (фиг. 3). Он также содержит ЛЛД 1, припаянную к теплоотводящей пластинке со стороны активного слоя 2, однако в данном устройстве пластинка не является монолитной, а содержит профилированную полость 5, которая служит каналом для прокачки охлаждающей жидкости. Тем самым полая пластинка выступает в качестве микроканального теплообменника, с которым активный слой ЛЛД имеет непосредственный контакт.

Полая пластинка (микроканальный теплообменник) изготавливается из трех последовательно наложенных тонких слоев прямоугольной формы - кремниевые внешние 3 и стеклянный (боросиликатный) внутренний 4, их соединение осуществляется путем спекания при нагреве до температуры отжига стекла. Внутренняя полость в получаемой таким образом пластинке образуется оставляемыми при соединении слоев зазорами между ними. Также на участках поверхностей кремниевых пластин 3, обращенных внутрь полости, нарезаны выступы в виде ряда эквидистантных параллельных ребер прямоугольного сечения, которые при сборке упираются в поверхность стеклянной вставки и образуют в полости два микроканальных участка (радиатора) 6, одновременно служа ребрами жесткости. Ребра ориентированы под углом к продольной оси ЛЛД. Выступающая за пределы области крепления ЛЛД часть пластины имеет фигурные сквозные отверстия 8, которые служат для ввода и вывода потока охлаждающей жидкости в полость и находящиеся в ней микроканальные радиаторы. При составлении МЛД из таких модулей совокупность выступающих частей пластин образует пластинчатый теплообменник. Описанная конструкция позволяет обеспечить хорошее охлаждение активного слоя при сохранении возможности достаточно плотной упаковки модулей в МЛД и достигнуть значений удельного теплового сопротивления вплоть до 1,4 10^-2 Kсм²/Вт.

Описанная конструкция модуля содержит следующие недостатки. Используемая U-образная форма канала, внутренние участки которого вдобавок перекрываются решетками щелевых каналов, имеет очень большое гидравлическое сопротивление, что в конечном счете делает невозможным достижение высоких значений коэффициента теплоотдачи от стенок к жидкости. Кремниевый слой, отделяющий активный слой ЛЛД от потока жидкости, также служит фактором, замедляющим отвод выделяемого в активном слое тепла к жидкости, вследствие как недостаточно высокой теплопроводности материала, так и создания им дополнительного передаточного слоя (т.е. теплоотвод не является в полном смысле непосредственным). Минимально возможная толщина пластины составляет около 1,55 мм, что с учетом толщины самой линейки и соединительных слоев позволяет получить плотность упаковки модулей в МЛД не более 5,4 штук на один сантиметр. Описанная конструкция полой наборной пластины предусматривает большое количество соединений, которые должны отвечать повышенным требованиям к точности и надежности по герметичности и прочности, что влечет за собой необходимость дополнительной разработки специальных технологий для изготовления устройства.

Техническая задача изобретения заключается в повышении полной мощности, плотности и пространственной однородности потока излучения модуля на основе ЛЛД посредством интенсификации теплоотвода от активных слоев диодов при учете требований эксплуатационной надежности устройства, технологичности и возможной автоматизации его производства.

Основная особенность предлагаемого решения данной задачи, определяющая его принципиальную новизну, состоит в использовании непосредственного (без промежуточных агентов) отвода тепла от активного слоя ЛЛД охлаждающей жидкостью, который осуществляется при их прямом контакте. Так же как и в прототипе в предлагаемой конструкции излучательного модуля, представляющего собой ЛЛД 1, прикрепленную к теплоотводящей пластинке 3, последняя изготавливается в виде микроканального теплообменника (фиг. 4). Для этого в поверхности монолитной пластины 3 в пределах области ее контакта с активным слоем ЛЛД 2 вырезается профилированная выемка, которая в общем случае представляет собой ряд эквидистантно расположенных параллельных бороздок одинакового прямоугольного сечения 4, ориентированных перпендикулярно к продольной оси ЛЛД (параллельно оптическим осям лазерных диодов), и разделенных ребрами одинаковой толщины 5. При этом все концы бороздок с обеих сторон соединяются поперечными бороздами с прямоугольным сечением такой же глубины 6, которые имеют по одному сквозному выходу в боковых гранях по противоположным сторонам пластинки 7. Образующаяся при скреплении пластины и ЛЛД рельефная полость предназначается для прокачки охлаждающей активный слой жидкости, которая подается и выводится через отверстия 7. Тем самым, профилированная выемка в пластинке, закрытая линейкой, представляет собой микроканальный теплообменник, заполненный решеткой щелевых каналов, который получается встроенным в объем модуля без изменения его размеров.

Поскольку поверхность активного слоя является частью внутренней поверхности (одной из стенок) этого теплообменника, часть выделяемого в ЛЛД при работе модуля тепла напрямую отводится потоком жидкости. Другая часть отводится с боковых поверхностей разделяющих каналы ребер 5, которые также напрямую контактируют с активным слоем, и в совокупности образуют развитую поверхность теплообмена. В результате качественным образом возрастает интенсивность охлаждения активных слоев ЛД, что позволяет использовать высокие значения тока их накачки и тем самым получать высокие значения плотности потока и, соответственно, полной мощности излучения ЛЛД.

Помимо того, что разделяющие каналы стенки 5 образуют систему охлаждаемых пластин, они служат для разбиения потока на более мелкие, приблизительно однородные составляющие, которые направляются ими в направлении, поперечном продольной оси линейки. Тем самым создаются одинаковые условия охлаждения всех диодов, входящих в ЛЛД, что означает однородность распределения температуры по продольной оси линейки, которая определяет однородность пучка излучения. Поперечное направление потока охлаждающей жидкости также обеспечивает минимально возможный путь потока вдоль поверхности нагрева, поэтому нагрев жидкости и порождаемая им неоднородность охлаждения активного слоя также сводятся к минимуму. Поэтому предложенная конструкция и предусмотренная ею система организации потока охлаждающей жидкости обеспечивают высокую степень однородности температурного распределения в пределах активного слоя, следствием которой является однородность спектра излучения ЛЛД по всей продольной оси. Кроме того, поперечные ребра 5 одновременно служат и дополнительной опорой для ЛЛД при скреплении с пластинкой и как ребра жесткости, увеличивающие прочность всей конструкции. Предложенная конструкция встроенного теплообменника в отличие от прототипа имеет только одну поверхность соединения составных частей. Таким образом, использование системы внутренних поперечных ребер является комплексно-многофункциональным решением.

Поскольку в предложенном модуле перегородкой служит сама ЛЛД, активным слоем контактирующая с охлаждающей жидкостью, это не требует дополнительной стенки, что влечет, помимо указанных выше следствий, уменьшение общей толщины модуля W, что позволяет достичь больших, чем в прототипе, значений плотности упаковки модулей в матрицу. Площадь пластинки может быть как равной площади грани ЛЛД с активным слоем (т.е. H_п = H_л), так и превышать ее (H_п > H_л), что выбирается в зависимости от условий функционирования модуля. В последнем случае выступающая часть пластинки может использоваться для крепления модуля к опорной поверхности или внешнему теплообменнику, как в аналоге [3], а при сборке МЛД из таких модулей совокупность выступающих частей пластин образует пластинчатый теплообменник.

Описанная выше конструкция излучательного модуля на основе ЛЛД с непосредственным охлаждением активного слоя предусматривает следующие две модификации. Первая из них предусматривает заполнение всего объема поперечных каналов 4 вставками из микропористого проницаемого материала с каркасом из высокотеплопроводного вещества 10 (фиг. 4, сеч. А-А, сеч. Б-Б). Поскольку тепло от активного слоя в этом случае будет отводиться в объем потока по каркасу микропористых вставок, непосредственно контактирующему с активным слоем ЛЛД, это позволит увеличить интенсивность отвода тепла не менее, чем на порядок. Сохраняя все особенности базовой конструкции, эта модификация дополнительно позволяет уменьшить толщину модуля W за счет уменьшения необходимой глубины каналов h.

Во второй модификации описываемого устройства предлагается заменить решетку щелевых каналов, вырезанных в поверхности пластинки, плоским слоем микрокапилляров, который должен быть образован сеткой узких и мелких микроканавок, нанесенных на поверхность пластинки в преимущественно поперечном к продольной оси ЛЛД направлении, и закрытых сверху прикрепленной к пластине диодной линейкой. При этом продольные борозды 6, служащие каналами для подачи и отвода охлаждающей жидкости сохраняются, имея меньшую, чем в базовой конструкции, глубину. Эта разновидность конструкции является промежуточной по отношению к первым двум, описанным выше, и объединяет в себе элементы обеих. Слой микрокапилляров в зависимости от их глубины и ширины, рисунка их сетки и плотности нанесения на поверхности пластины может рассматриваться или как система щелевых каналов малой глубины и с узким зазором, или как очень тонкий (порядка среднего диаметра поры) слой высокопористого материала. Преимуществом этой модификации является возможность значительного уменьшения толщины пластины, а тем самым увеличения плотности упаковки модулей в МЛД.

Во всех модификациях значения параметров конструкции (геометрические, тепловые и т. п.) могут варьироваться в достаточно широкой области и выбираются в результате оптимизации по выбранному критерию (например, максимальный отводимый тепловой поток при заданной плотности упаковки).

Сопоставительный анализ с прототипом и анализ источников информации показывает, что заявляемый модульный излучатель на основе лазерных диодов находится в соответствии с критерием "новизна".

При сравнении формулы изобретения с другими техническими решениями в данной области техники не обнаружено решений, обладающих сходными признаками и решающих аналогичные технические задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень".

На приводимых в описании фигурах изображено следующее.

Фиг. 1. Схема излучательного модуля на основе ЛЛД, описанного в [3], (аналог).

1 - ЛЛД, 2 - активный слой, 3 - теплоотводящая пластинка, 4 - теплообменник (фрагмент), 5 - направление пучка излучения модуля.

Фиг. 2. Схема излучательного модуля на основе ЛЛД, описанного в [4], (аналог).

1 - ЛЛД, 2 - активный слой, 3 - ребра с зеркальными гранями, 4 - теплообменник (фрагмент), 5 - направление пучка излучения модуля.

Фиг. 3. Схема излучательного модуля на основе ЛЛД, описанного в [5], (прототип).

1 - ЛЛД, 2 - активный слой, 3 - кремниевые слои, 4 - стеклянная прокладка, 5 - внутренний канал для прокачки охлаждающей жидкости, 6 - участки, перекрытые решеткой щелевых каналов, 7 - направление потока охлаждающей жидкости, 8 - фигурные сквозные отверстия, 9 - направление пучка излучения модуля.

Фиг. 4. Схема предлагаемого излучательного модуля (базовый вариант - с решеткой щелевых каналов).

1 - ЛЛД, 2 - активный слой, 3 - теплоотводящая пластинка, 4 - щелевые каналы, 5 - перегородки между ними, 6 - поперечные соединительные каналы, 7 - отверстия для подачи и отвода охлаждающей жидкости, 8 - направление потока охлаждающей жидкости, 9 - направление пучка излучения модуля.

Наибольшие значения мощности излучения ЛЛД достигаются при работе в непрерывном режиме, когда устанавливаются стационарные режим теплоотвода и распределение температуры в модуле (при условии стационарности потока охлаждающей жидкости). Определяющим образом значения характеризующих их величин зависят от параметров теплоотводящей системы модуля, поэтому являются его характерными значениями. Связь мощности излучения ЛЛД P_изл и плотности теплового потока, отводимого с поверхности активного слоя, P для стационарного режима теплоотвода определяется выражением



где - значение КПД линейки, L и H_л - ее длина и ширина, равная длине резонатора диодов.

В модели стационарного теплообмена в одномерном приближении нами получены следующие соотношения, связывающие P с параметрами модуля и характеристиками потока.

1) Для модуля с решеткой щелевых каналов



T - величина нагрева активного слоя ( T10 K), - толщина слоя, отделяющего активный слой ЛЛД от жидкости (который по меньшей мере состоит из полупроводникового p-слоя, являющегося неотъемлемой структурной частью ЛЛД), k₁, k₂ - коэффициенты теплопроводности этого слоя и материала пластины соответственно, смысл параметров l, s, h ясен из чертежа на фиг. 4, - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности канала к жидкости, D - гидравлический диаметр канала. Величина зависит от режима течения жидкости и для развитого ламинарного течения, являющегося оптимальным для микроканальных теплообменников [5], равна [6]



где k₀ - коэффициент теплопроводности охлаждающей жидкости.

Удельное тепловое сопротивление равно



2) Для модуля с вставкой из микропористого материала



где

_V - объемный коэффициент теплоотдачи, П - пористость, k_c^(c) - коэффициент теплопроводности материала каркаса в компактном состоянии.

Величина _V определяется по характерному числу Нуссельта Nu_d



d_p - средний диаметр пор, d - средний диаметр структурной образующей каркаса, c = 4 для пористых материалов из сферических частиц и c = 1 - для проволочных материалов [7]. В случае произвольного пористого материала

Nu_d = CRe_d^mPrⁿ,

где C, m, n есть характерные константы, зависящие от структуры пористого материала, Pr - число Прантля охлаждающей жидкости, Re_d - число Рейнольдса, связанное со средней скоростью фильтрации жидкости через пористый материал V



- кинематическая вязкость охлаждающей жидкости. Скорость V определяется из уравнения [7]



где a, b - характерные для данного пористого материала коэффициенты, являющиеся функциями d и П, H - толщина его слоя в направлении фильтрации, p - перепад давления жидкости на входе и выходе пористого слоя (в нашем случае H = H_л, а перепад давления на краях пористого слоя практически совпадает с перепадом значений давления во входном и выходном отверстиях полости, т.к. гидравлическое сопротивление всего канала преимущественно определяется пористыми вставками), ₀ - плотность жидкости.

Соответствующее удельное тепловое сопротивление равно



Оптимальному соотношению больших значений _V и малых потерь на преодоление гидравлического сопротивления удовлетворяют высокопористые ячеистые материалы с П = 0,5 - 0,7.

3) Для модуля с микрокапиллярным слоем рассчетные формулы аналогичны случаю (1) с точностью до замены ₁ на значение суммарной площади, покрываемой микрокапиллярами в пределах единицы площади поверхности пластины, а величина h принимает смысл среднего значения их эффективного диаметра.

Вариантом реализации предложенной конструкции может служить излучательный модуль, изготовленный на базе типовой ЛЛД, использовавшейся в экспериментах [8] . Она состоит из 50 одинаковых ЛД на основе AlGaAs с длиной резонатора 500 мкм и имеет геометрические параметры L = 10 мм, w = 0,1 мм, H_л = 0,5 мм. Среднее значение КПД составляет 25%. Теплоотводящая пластина выполняется из карбида кремния SiC с k₂ = 2,25 Вт/смK. Профилированная выемка в ее поверхности может быть или вырезана лазерным лучом, или вытравлена фотолитографическим способом. Соединение ЛЛД с теплоотводящей пластинкой осуществляется или пайкой на основе многослойного припоя In-Mo-Ni толщиной около 6 мкм, или более совершенным методом контактно-реактивной эпитаксиальной пайки. В качестве охлаждающей жидкости используется вода ( ₀ 1 г/см³, = 0,01 см²/с, k₀ = 6,0410^-3 Вт/смK).

В соответствии с приведенными выше выражениями для такого модуля с использованием значений = 2 мкм, k₁ = 0,46 Вт/смK, p = 1 атм, T = 10 K, r₁ = r₂ = 0,01 мм получаются следующие характерные значения мощности излучения P_изл и удельного теплового сопротивления R_Т.

1) Для модуля с решеткой щелевых каналов с l = s = 0,02 - 0,1 мм при вариации значений глубины каналов в интервале h = 0,25 - 1,5 мм (что соответствует плотности упаковки 5,9 - 22,2 см^-1) P_изл = 5 - 12,5 Вт, R_Т = (1,3 - 3,3)10^-2 Kсм²/Вт.

Хотя в данном случае величина R_Т не превосходит значения, достигнутого в прототипе, плотность упаковки существенно выше, что в конечном счете позволяет достигнуть более высоких значений полной мощности излучения МЛД.

2) Для модуля с вставкой из высокопористого материала на основе меди или ее сплавов (k_c^(m) 4 Вт/смK) при d = 10 - 50 мкм, 0,5 < П < 0,7 с использованием зависимостей [7,9]

Nu_d = 0,004RePr,



a = 610⁹(1-П)²d^-2П^-3,

b = 9,2310³(1-П)d^-1П^-3,7,

P_изл = (1,6 - 2,5)10² Вт,

R_Т = (0,67 - 1)10^-3 Kсм²/Вт.

При этом характерная толщина пористого слоя составляет приблизительно (2 - 5)10^-3 см, что соответствует плотности упаковки ЛЛД (без учета соединительных слоев) в 66,7 - 83,3 см^-1. В данном варианте имеем существенное превосходство в значениях P_изл, R_Т и плотности упаковки по сравнению с прототипом.

3) В модификации модуля, использующего микрокапиллярный слой, достигаются промежуточные по отношению к тем двум случаям значения P_изл и R_Т.

Литература

1. Байков И.С., Безотосный В.В. Прикл. физ. - 1995, N 2, с. 3-35. Зарубежн. электрон, техн. - 1995, N 2-3, с. 47-51.

2. Кейси Х. , Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. В 2 т. - М.: Мир, 1981.

3. Mundinger D., Beach R., Benett W.J. et al. Appl. Phys. Lett. - 1988, v. 53, N 12, p. 1030-1032. Mundinger D., Beach R., Benett W.J. et al. Appl. Phys. Lett. - 1990, v. 57, N., p. 2172. Bernstein M. Lasers & Optronics. - April 1991, p. 57-63.

4. Nam D. W. , Waarts R.G., Welch D.F. et al. IEEE Phot. Tech. Lett. - 1993, v. 5, N 3, p. 281-284.

5. Beach R., Benett W.J., Freitas B.L. et al. IEEE J. Quant. Electr. - 1992, v. 28, N 4, p. 966-975.

6. Справочник по теплообменникам. В 2-х т. - М.: Машиностроение, 1987.

7. Пористые проницаемые материалы/Под ред. С.В. Белова. - 1987.

8. Безотосный В.В., Коваль Ю.П. и др. Квантовая электроника. - 1995, т. 22, с. 101. Аполлонов В.В., Державин С.И. и др. Квантовая электроника. - 1997).

9. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. - 1988.