ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2025 года по МПК H01S5/24 

Область техники, к которой относится техническое решение

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к разработке мощных полупроводниковых инжекционных приборов, лазерных излучателей, диодной накачки и изделий на их основе.

Уровень техники

Полупроводниковые лазерные излучатели выделяются благодаря своим уникальным характеристикам. Используя такие полупроводники, как GaAs, CdS, InAs, InSb и ZnS, они способны охватить весь видимый спектр и часть ближнего инфракрасного и ультрафиолетового диапазона. Полупроводниковые инжекционные лазеры отличаются крайне высокой эффективностью преобразования электрической энергии в когерентное излучение. Они могут функционировать в импульсном, квазинепрерывном и в непрерывном режимах генерации излучения.

Полупроводниковые лазерные излучатели используются с наибольшей эффективностью в тех случаях, когда требования к когерентности и направленности не очень велики, но необходимы малые габариты и высокий КПД. Полупроводниковые лазерные излучатели превосходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и величиной КПД.

Вышеперечисленные достоинства являются основным фактором применения данного типа лазеров в прикладных и исследовательских областях, таких как системы накачки твердотельных, дисковых лазеров и иных активных сред лазерных систем.

Полупроводниковые лазерные излучатели создаются на основе отдельных лазерных диодов или линеек лазерных диодов (нескольких интегрированных лазерных диодов) на активных или пассивных теплоотводах, при этом излучающая область лазерного излучателя содержит многослойную эпитаксиальную гетероструктуру. Внутренние отражающие поверхности лазерных излучателей формируются путем скалывания гетероэпитаксиальной структуры и являются его внутренним резонатором. Коэффициент полезного действия лазерного излучателя достигает 70%.

Применение лазерного излучателя ограничено большим тепловыделением на единицу его площади, что приводит к повышению температуры гетероэпитаксиальной структуры и, соответственно, снижению эффективности и срока службы лазерного излучателя. Повышение температуры гетероэпитаксиальной структуры на градус Цельсия приводит к смещению длины волны излучения лазерного излучателя на величину порядка 0,3 нм.

Для эффективного отвода тепла от гетероэпитаксиальной структуры лазерного излучателя необходимо разработать теплоотводы с возможностью формирования двухмерных излучающих областей различных конфигураций и с тепловым сопротивлением теплоотвода не более 0,5 К/Вт.

Для повышения эффективности отвода тепла целесообразно применять теплоотвод, изготовленный из материалов с высокими теплофизическими характеристиками: коэффициентами теплопроводности и температуропроводности.

Известен лазерный излучатель (см. патент РФ №227597, МПК H01S 5/024, опубл. 25.07.2024), который содержит контактную пластину - макроканальный радиатор, состоящую из трех пластин с отверстиями, расположенными вдоль длинных сторон, и двух опорных пластин, соединенных методом диффузионной сварки таким образом, что образуют зигзагообразный канал охлаждения для направления протока теплоносителя, в верхней части контактной пластины, на противоположной от отверстия стороне, установлены линейка лазерных диодов и изолятор, соединенные между собой с помощью многополоскового вывода, изолятор выполнен с металлизированным покрытием, на нем закреплена прижимная пластина, служащая отрицательным электродом питания, контактная пластина - макроканальный радиатор служит положительным электродом питания.

Недостатком данной конструкции является использование метода диффузионной сварки для соединения пластин, образующих теплоотвод, что может привести к утечки теплоносителя. При использовании теплоносителя низкого качества может образоваться накопление грязи и привести к ухудшению протока теплоносителя, как следствия, ухудшению теплоотводящих функций теплоотвода. Нарушения коррозионного покрытия может привести к электрокоррозии пластин теплоотвода и также привести к ухудшению его теплоотводящих функций.

Известна диодная накачка (см. патент РФ №216498, МПК H01S 3/00, опубл. 09.02.2023), содержащая, по крайней мере, два впускных отверстия для приема и направления хладагента и, по крайней мере, одно выравнивающее отверстие, включающая в себя набор лазерных диодов и послойно сплавленные друг с другом контактную пластину-макроканальный радиатор из не электрически проводящего материала, электрический контакт, изолятор и еще один слой электрического контакта. Контактная пластина-макроканальный радиатор представляет собой цельный керамический слой, кроме того, один из электрических контактов сплавлен с керамической контактной пластиной-макроканальным радиатором, оба электрических контакта сплавлены с набором лазерных диодов.

Недостатком известного технического решения являются недостаточно высокие коэффициенты теплопроводности и температуропроводности керамик из оксида бериллия и карбида кремния, а также таких металлов как медь. Так, коэффициент теплопроводности керамик из карбида кремния - около 200 Вт/(м⋅К), керамик из оксида бериллия - около 300 Вт/(м⋅К), а меди - 390 Вт/(м⋅К). Коэффициенты температуропроводности таких материалов составляют 90 мм²/с, 70 мм²/с, 115 мм²/с соответственно. Алмаз обладает высокими коэффициентами теплопроводности (до 2000 Вт/(м⋅К)) и температуропроводности (1000 мм²/с). Однако трудоемкость изготовления из алмаза пластин, имеющую необходимую конструктивную прочность, например, толщиной более 0,5 мм, очень велика, что сдерживает их широкое использование.

Раскрытие сущности

Техническая проблема заключается в создании теплоотвода с возможностью формирования компактных двухмерных излучающих областей различных конфигураций и с тепловым сопротивлением конструкции не более 0,5 К/Вт.

Технический результат заключается в уменьшении теплового сопротивления в конструкции лазерного излучателя за счет применения материалов с высокими коэффициентами теплопроводности и температуропроводности.

Технический результат достигается тем, что лазерный излучатель, согласно решению, содержит теплоотводящую пластину, выполненную из керамического композиционного материала состава: алмаз 50-75 об. %, карбид кремния 15-35 об. %, кремний - остальное об. %, имеющую со всех сторон многослойное покрытие, сформированное из адгезионного промежуточного слоя и металлического покрытия с высокой электропроводностью, на верхней поверхности которой с одной длинной стороны размещен кристалл гетероэпитаксиальной пластины, а с другой длинной стороны - электроизоляционная пластина, причем кристалл и электроизоляционная пластина не контактируют между собой, и металлическую пластину с высокой электропроводностью, установленную на электроизоляционную пластину и кристалл, образуя омический контакт, при этом все пластины имеют отверстия для монтажа и протока хладагента.

Адгезионный промежуточный слой выполнен из никеля или титана.

Металлическое покрытие выполнено из меди или золота толщиной 20-50 мкм.

Кристалл гетероэпитаксиальной пластины выполнен в виде линейки лазерных диодов.

Металлическая пластина выполнена из меди.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема лазерного излучателя, на фиг. 2 - продольное сечение лазерного излучателя по плоскости, не проходящей через отверстия и пазы.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - кристалл гетероэпитаксиальной пластины;

2 - электроизоляционная пластина;

3 - металлическая пластина;

4 - теплоотводящая пластина, имеющая многослойное покрытие с высокой электропроводностью;

5 - теплоотводящая пластина;

6 - промежуточный слой;

7 - металлическое покрытие с высокой электропроводностью.

Осуществление изобретения

Лазерный излучатель состоит из трех последовательно размещенных деталей (фиг. 1), а именно: теплоотводящей пластины, имеющей многослойное покрытие с высокой электропроводностью 4 со смонтированным кристаллом гетероэпитаксиальной пластины в виде линейки лазерных диодов 1; электроизоляционной пластины 2, не контактирующей с кристаллом гетероэпитаксиальной пластины 1, металлической пластины 3 с высокой электропроводностью, например, из меди, установленной на электроизоляционной пластине 2 и соединенной с кристаллом гетероэпитаксиальной пластины 1.

Основу теплоотводящей пластины, имеющей многослойное покрытие с высокой электропроводностью, сечение которой представлено на фиг. 2, составляет теплоотводящая пластина 5, выполненная из керамического композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний в соотношениях: алмаз - 50-75 об. %, карбид кремния - 15-35 об. %, кремний - остальное об. %. На поверхности теплоотводящей пластины 5 химическим осаждением или вакуумным напылением сформирован адгезионный промежуточный слой никеля или титана 6. На промежуточном слое методом гальванического осаждения или вакуумным напылением сформировано покрытие из металла с высокой электропроводностью, например, меди или золота 7 толщиной от 20 до 50 мкм.

При содержании в керамическом композиционном материале алмаза менее 50 об. % и карбида кремния менее 15 об. % его теплофизические характеристики сопоставимы с показателями наиболее теплопроводных керамик (оксида бериллия, карбида кремния), что не позволяет обеспечить преимущества предлагаемого технического решения. Получение керамического композиционного материала с содержанием алмаза более 75 об. % и карбида кремния более 35 об. % технологически затруднено.

Толщина многослойного покрытия более 50 мкм технологически сложно и нецелесообразно, так как приводит к увеличению теплового сопротивления на границе раздела между кристаллом гетероэпитаксиальной структуры и теплоотводящей пластиной, а толщина менее 20 мкм приводит к резистивному нагреву при протекании тока накачки и снижению надежности лазерного излучателя.

Все пластины лазерного излучателя имеют контур, в виде прямоугольника размером 30×11 мм с одним отверстием диаметром 4 мм, предназначенным для протока хладагента и двумя отверстиями диаметром 3 мм для крепления и позиционирования лазерных излучателей при формировании сборок, образующих компактные двухмерные излучающие области различных конфигураций.

Конструкция лазерного излучателя, приведенная на фиг. 1: пластина с покрытием 4, электроизоляционная пластина 2, пластина из металла 3 - сопряжены друг с другом через отверстия для позиционирования и герметизирующие уплотнения отверстия для протока хладагента. Позиционирование пластин в параллельные плоскости осуществляется визуально или с помощью вспомогательных упоров при формировании сборок, образующих компактные двухмерные излучающие области.

Конструкцию лазерного излучателя, предложенную по данному техническому решению, целесообразно использовать для изготовления сборок, образующих компактные двухмерные излучающие области различных конфигураций путем сопряжения нескольких лазерных излучателей. Сопряжение элементов обеспечивается двумя отверстиями диаметром 3 мм с использованием герметизирующих уплотнений отверстия протока хладагента.

Устройство работает следующим образом.

Как правило, лазерные излучатели по предлагаемому техническому решению объединяются в сборки с целью образования компактные двухмерных излучающих областей различных конфигураций. Формирование электрической цепи сборки осуществляется через контакт многослойного покрытия теплоотводящей пластины одного лазерного изучателя с пластиной из металла другого лазерного излучателя. Через отверстие для подачи хладагента подают хладагент, например, воду. При пропускании электрического тока через кристалл гетероэпитаксиальной структуры, например, линейку лазерных диодов каждого лазерного излучателя, генерируется лазерное излучение.

Исследование эффективности лазерного излучателя проводилось на основе сборки, состоящей из трех лазерных излучателей. Каждый лазерный излучатель состоит из теплоотводящей пластины толщиной 1,4 мм, выполненной из материала состава: алмаз 63 об. %, карбид кремния - 28 об. %, кремний - 9 об. %. Коэффициент теплопроводности материала - 500 Вт/(м⋅К), коэффициент температуропроводности материала - 290 мм²/с. Контур теплоотводящей пластины представлял собой прямоугольник размером 30×11 мм с одним отверстием диаметром 4 мм, предназначенным для протока хладагента и двумя отверстиями диаметром 3 мм для крепления и позиционирования лазерных излучателей. Теплоотводящая пластина имеет покрытие, состоящее из промежуточного слоя титана 1,2 мкм и покрытия из меди толщиной 25 мкм. На краю длинной стороны (30 мм) теплоотводящей пластины с покрытием установлен кристалл гетероэпитаксиальной структуры в виде линейки лазерных диодов размером 10×1,5 мм. На поверхности теплоотводящей пластины с покрытием размещена электроизоляционная пластина из нитрида алюминия толщиной 0,5 мм, повторяющей контур теплоотводящей пластины. На поверхности электроизоляционной пластины установлена пластина из меди толщиной 30 мкм, имеющая тот же контур и контактирующая с линейкой лазерных диодов образуя омический контакт. Лазерные излучатели соединены в сборку, образующую компактную двухмерную излучающую область, между лазерными излучателями установлены кольцевые герметизирующие уплотнения. Формирование электрической цепи сборки осуществляется через контакт многослойного покрытия теплоотводящей пластины одного лазерного изучателя с пластиной из металла другого лазерного излучателя. Через отверстия лазерного излучателя подавали хладагент (воду). В ходе испытаний контролировали расход и температуру хладагента, а также мощность лазерного излучателя и температуру, рассчитанную из известного соотношения между температурой и сдвигом длины волны лазерного излучения, которую также контролировали.

Испытания показали, что тепловое сопротивление лазерного излучателя с теплоотводящей пластиной из керамического композиционного материала в составе двухмерной сборки составляет 0,47 К/Вт. Расчетные значения теплового сопротивления лазерного излучателя при содержании алмаза в составе материала 75 об. % составляет 0,42 К/Вт, а при содержании алмаза в составе материала 50 об. % составляет 0,51 К/Вт. Такие же испытания были выполнены на аналогичной двухмерной сборки, в которой вместо теплоотводящей пластины с покрытием из меди была использована пластина из меди толщиной 1,4 мм, тепловое сопротивление составило 1,72 К/Вт.

Таким образом, тепловое сопротивление лазерных излучателей по предлагаемому техническому решению в 3,5 раза меньше, чем у аналогичных элементов с теплоотводящей пластиной из высокотеплопроводной меди. Результаты указывают на высокую эффективность отвода тепла от линейки лазерных диодов по предлагаемому техническому решению.

Применение в предлагаемом техническом решении теплоотводящей пластины из материала алмаз - карбид кремния - кремний, обладающего высокими теплофизическими характеристиками, обеспечивает существенные преимущества предлагаемым элементам по сравнению с элементами, содержащими теплоотводящие пластины из высокотеплопроводных керамик и металлов. Применение теплоотводящих пластин из алмаза сдерживается высокой трудоемкостью изготовления таких пластин. Так трудоемкость изготовления теплоотводящей пластины толщиной 1,4 мм и размером 30×11 мм из композиционного керамического материала алмаз - карбид кремния - кремний составляет 2 нормо-часа, тогда как трудоемкость изготовления аналогичной теплоотводящей пластины из алмаза (CVD-алмаза) составляет не менее 15 нормо-часов.

Таким образом, реализация предлагаемого технического решения позволяет создать компактный лазерный излучатель и изделия на их основе, обеспечивающие повышение эффективности отвода тепла от кристалла гетероэпитаксиальной пластины (лазерного диода или линейки лазерных диодов), при обеспечении относительно невысокой трудоемкости изготовления.

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к разработке мощных полупроводниковых инжекционных приборов, лазерных излучателей, диодной накачки и изделий на их основе. Технический результат заключается в уменьшении теплового сопротивления в конструкции лазерного излучателя за счет применения материалов с высокими коэффициентами теплопроводности и температуропроводности. Технический результат достигается тем, что лазерный излучатель, согласно решению, содержит теплоотводящую пластину, выполненную из керамического композиционного материала состава: алмаз 50-75 об. %, карбид кремния 15-35 об. %, кремний - остальное об. %, имеющую со всех сторон многослойное покрытие, сформированное из адгезионного промежуточного слоя и металлического покрытия с высокой электропроводностью, на верхней поверхности которой с одной длинной стороны размещен кристалл гетероэпитаксиальной пластины, а с другой длинной стороны - электроизоляционная пластина, причем кристалл и электроизоляционная пластина не контактируют между собой, и металлическую пластину с высокой электропроводностью, установленную на электроизоляционную пластину и кристалл, образуя омический контакт, при этом все пластины имеют отверстия для монтажа и протока хладагента. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный излучатель, характеризующийся тем, что содержит теплоотводящую пластину, выполненную из керамического композиционного материала состава: алмаз 50-75 об. %, карбид кремния 15-35 об. %, кремний - остальное об. %, имеющую со всех сторон многослойное покрытие, сформированное из адгезионного промежуточного слоя и металлического покрытия с высокой электропроводностью, на верхней поверхности которой с одной длинной стороны размещен кристалл гетероэпитаксиальной пластины, а с другой длинной стороны - электроизоляционная пластина, причем кристалл и электроизоляционная пластина не контактируют между собой, и металлическую пластину с высокой электропроводностью, установленную на электроизоляционную пластину и кристалл, образуя омический контакт, при этом все пластины имеют отверстия для монтажа и протока хладагента.

2. Излучатель по п.1, характеризующийся тем, что адгезионный промежуточный слой выполнен из никеля или титана.

3. Излучатель по п.1, характеризующийся тем, что металлическое покрытие выполнено из меди или золота толщиной 20-50 мкм.

4. Излучатель по п.1, характеризующийся тем, что кристалл гетероэпитаксиальной пластины выполнен в виде линейки лазерных диодов.

5. Излучатель по п.1, характеризующийся тем, что металлическая пластина выполнена из меди.