长寿命激光二极管封装制造技术

本发明专利技术提供大功率、高亮度固态激光系统，所述系统在至少10000小时的工作时间内保持初始光束特性，包括功率水平，且性能或光束质量不会退化。本发明专利技术提供了大功率、高亮度固态激光系统，其内部环境中含氧，且不含硅氧烷。且不含硅氧烷。且不含硅氧烷。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】长寿命激光二极管封装
[0001]本申请要求2020年2月3日提交的美国临时专利申请序号62/969,541的优先权，，并根据《美国法典》第35章第119(e)(1)条的规定，享有其申请日的权益，所述申请全部通过引用并入本专利技术。


[0002]本专利技术涉及提供较低波长(约10nm(纳米)至约600nm，且在实施例中通常为约350nm至约500nm)、波长激光能量的大功率激光系统，以及这些系统和激光束的用途，包括增材和减材制造、材料加工和激光焊接应用。本专利技术还涉及这样的激光系统及其应用，其提供具有高光束质量的激光束，并且在实施例中，在延长的时间段内保持高质量和大功率激光束。

技术介绍

[0003]基于红外(IR)(波长大于700nm，特别是波长大于1000nm)的增材制造系统存在其他缺点之外的一些缺点，这些缺点限制了建造体积和建造速度，以及这些系统的总效率和安全性。红外光束对大多数金属具有高反射性，因此其与金属靶或基板耦合不良，使其效率低下。耦合不良还导致难以控制的建造或焊接过程，并可能产生伴随飞溅、排气和颗粒喷射的健康和安全风险。光斑尺寸较大，妨碍了在建造项目中获得更高分辨率的能力，这进一步受到耦合不良和难以控制过程的妨碍。此外，这些红外系统的生命周期非常有限，其光束质量随着时间的推移而稳定退化，在某些情况下快速退化。这种退化导致不能工作的时间，也导致维修和更换部件的成本增加以及生产损失。
[0004]在现有红外系统中看到的这种随时间的退化对于现有的紫外(UV)、蓝色和绿色激光器以及激光系统也是一个显著的问题。
[0005]在本专利技术中，除非另有明确说明，“紫外”、“紫外线”、“紫外光谱”和“光谱的紫外部分”以及类似术语应具有最广泛的含义，并将包括约10nm至约400nm、10nm至400nm波长的光，以及这些范围内的所有波长。
[0006]在本专利技术中，除非另有明确说明，否则术语“激光二极管”、“二极管发射器”、“激光二极管棒”、“激光二极管芯片”和“发射器”以及类似术语应具有最广泛的含义。通常，激光二极管是发射激光束的半导体装置，这种装置通常被称为边缘发射激光二极管，因为激光从基板的边缘发射。典型地，具有单个发射区域(发射器)的二极管激光器通常被称为激光二极管芯片，而发射器的线性阵列被称为激光器二极管棒。发射激光束的区域称为“面”。
[0007]在本专利技术中，除非另有明确说明，否则术语“大功率”、激光器和激光束以及类似的此类术语是指并包括激光束以及提供或传播具有至少100瓦(W)功率以及更大功率的激光束的系统，例如从100W至10千瓦(kW)、从约100W至约1kW、从约500W至约5kW、从约10kW至约40kW，从约5kW至约100kW，以及这些范围内的所有功率以及更大功率。
[0008]在本专利技术中，除非另有明确说明，否则术语“蓝色激光束”、“蓝色激光束”和“蓝色”应具有最广泛的含义，并且通常指提供激光束、激光束、激光源(例如激光器和二极管激光
器)的系统，其提供(例如传播)激光束或光的波长为，从约400nm至约495nm，从400nm至495nm以及这些范围内的所有波长。典型的蓝色激光器具有约405
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495nm范围内的波长。蓝色激光器包括450nm、约450nm、460nm、约460nm、470nm和约470nm的波长。蓝色激光器可以具有从约10pm(皮米)至约10nm、约5nm、约10nm和约20nm以及更大和更小的值的带宽。
[0009]在本专利技术中，除非另有明确说明，否则术语“绿色激光束”、“绿色激光器”和“绿色”应具有最广泛的含义，并且通常指提供激光束、激光束、激光源(例如激光器和二极管激光器)的系统，其提供(例如传播)激光束或光的波长为，从约500nm至约575nm。绿色激光器包括515nm、约515nm，532nm、约532nm，550nm和约550nm的波长。绿色激光器可以具有从约10pm至10nm、约5nm、约10nm和约20nm以及更大和更小的值的带宽。
[0010]在本专利技术中，除非另有明确说明，否则术语“高可靠性”、“高可靠”、激光器和激光系统以及类似术语是指并包括寿命至少为10000小时或更长、约20000小时、约50000小时、约100000小时、从约10小时至约100000小时，从约10000小时至20000小时，从10000小时至50000小时，从20000小时至约40000小时，从约30000小时至约100000小时，以及这些范围内的所有值，以及更大的值。
[0011]在本专利技术中，除非另有明确说明，否则术语“寿命”、“系统寿命”和“延长寿命”以及类似术语定义为激光的输出功率、其他特性以及两者保持在或接近其标称值百分比的时间(“标称值”、“标称”和“标称__”，以及类似术语指(i)制造商定义或计算的激光的额定功率、其他特性和两者，这其中的较大者，或(ii)执行所有校准和调整后，首次使用时激光的初始功率、其他特性和两者，这其中的较大者)。因此，例如，“80％激光寿命”定义为当激光功率、其他特性或两者保持在标称值的80％或以上时的总工作时间；即，激光功率、其他特性或两者之前的工作时间都低于正常值的80％。例如，“50％激光寿命”定义为当激光功率、其他特性或两者保持在标称值的50％或以上时的总工作时间；即，激光功率、其他特性或两者之前的工作时间都低于正常值的50％。
[0012]在本专利技术中，除非另有规定或上下文中另有明确规定，否则术语“寿命”(在没有数字指示器或百分比指示器的情况下使用)是指并定义为“80％激光寿命”。
[0013]通常，除非另有规定，本专利技术中使用的术语“约”和符号“～”意指包含
±
10％的方差或范围，即与获得规定值相关的实验误差或仪器误差，最好是其中较大者。
[0014]在本专利技术中，除非另有明确说明，否则“至少”、“大于”等术语也指“不小于”，即，除非另有明确说明，否则此类术语不包括较低值。
[0015]在本专利技术中，除非另有说明，否则室温为25℃，标准温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确说明，否则所有与温度、压力或两者相关的试验、试验结果、物理特性和值均在标准温度和压力下提供。
[0016]在本专利技术中，除非另有规定，数值范围(从约“x”至约“y”的范围)以及类似的术语和量化的描述仅作为单独引用范围内单独值的速记方法。因此，它们包括该范围内的每个项目、特征、值、量或数量。在本专利技术中，除非另有规定，否则范围内的每个和所有单独点都引入本说明书，并且是本说明书的一部分，如同它们在本专利技术中单独叙述一样。
[0017]在本专利技术之前，具有多个激光二极管的激光封装，包括多管(多二极管)激光二极管封装，受碳和硅污染的组合影响，这大大减少了它们的寿命，并大大增加了其光束特性的退化率，包括其功率的退化率。本领域通常采用单独封装激光二极管，以尽量减少污染并实
现长寿命。然而，这种现有方法在满足当前和进一步工业激光应用的需要以及在激光系统(例如高亮度、大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种密封容器，封装用于提供激光束单独激光二极管；所述密封容器限定了内腔和内表面；其中所述内表面不含硅酮污染，由此在所述激光二极管的工作期间不会形成SiO2；并且其中所述内腔含有用于防止在所述内表面上形成碳污染的手段。2.一种密封容器，封装了多个用于提供激光束的单独激光二极管；所述密封容器限定了内腔和内表面；其中所述内表面基本上不含硅酮污染，由此在所述激光二极管的工作期间不形成SiO2；并且其中所述内腔含有用于防止在所述内表面上形成碳污染的手段。3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的密封容器，其中所述激光束为蓝色激光束。4.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的密封容器，其中所述激光束为绿色激光束。5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的密封容器，其中所述激光束的功率为从1W至10000W、约500W或约1000W。6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的密封容器，其中所述激光束的光束参数积为从50mm mrad至10mm mrad、从20mm mrad至1mm mrad或从10mm mrad至0.1mm mrad。7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的密封容器，其中所述激光束的功率密度为0.5MW/cm2至1000MW/cm2、至少约1MW/cm2、至少约5MW/cm2或至少约10MW/cm2。8.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的密封容器，其中用于防止内表面上形成碳污染的手段是含氧气氛。9.根据权利要求8所述的密封容器，其中所述含氧气氛的氧浓度为至少1％、至少10％、至少20％、至少50％或从5％至80％。10.根据权利要求8或9所述的密封容器，其中所述含氧气氛流入和流出所述密封容器。11.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的密封容器，其中防止所述内表面上形成碳污染的手段是使内表面不含碳污染。12.根据权利要求1至11中任一权利要求所述的密封容器，其中所述密封容器具有至少5000小时的80％激光寿命。13.根据权利要求1至11中任一权利要求所述的密封容器，其中所述密封容器具有至少10000小时的80％激光寿命。14.根据权利要求1至11中任一权利要求所述的密封容器，其中所述密封容器具有包括5000小时至10000小时的80％的激光寿命。15.根据权利要求1至14中任一权利要求所述的密封容器，其中退化率为2.5％每khrs或更低。16.根据权利要求1至14中任一权利要求所述的密封容器，其中退化率为2.0％每khrs或更低。17.根据权利要求1至14中任一权利要求所述的密封容器，其中退化率为1.5％每khrs或更低。18.根据权利要求1至17中任一权利要求所述的密封容器，包括散热器，其中二极管或多个二极管安装在散热器上，从而形成激光二极管的二维阵列。19.根据权利要求1至17中任一权利要求所述的密封容器，包括背板，其中二极管或多个二极管安装在背板上。
20.根据权利要求1至19中任一权利要求所述的密封容器，包括用于操纵激光束的光学元件。21.根据权利要求1至20中任一权利要求所述的密封容器，其中所述容器是或包括TO
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9Can。22.一种大功率、高亮度固态激光装置封装，用于集成到激光系统中，在长时间段内提供高质量蓝色激光束，而不会使得激光束特性显著退化，所述封装包括：a、壳体，所述壳体限定了内腔；其中，所述内腔与所述壳体的外部环境隔离；b、所述壳体包括窗口，其中所述窗口限定了内腔的一部分；c、固态装置，用于沿激光束路径从所述固态装置的传播面传播激光束，其中所述激光束的波长在410nm至500nm范围内；其中，所述激光束在所述传播面的功率密度为至少0.5MW/cm2；d、所述窗口与所述固态装置光通信，并且在所述激光束路径上；e、其中，所述固态装置位于所述壳体内和所述内腔中，并且其中所述窗口的内表面不暴露于外部环境，从而所述固态装置和所述窗口的内表面与外部环境隔离；f、由此，所述激光束沿着激光束路径从传播面通过窗口传输到外部环境；g、所述内腔不含硅基污染源，从而在固态装置工作期间避免内腔内产生SiO2；由此，所述内腔避免SiO2积聚；因此，光束特性的退化率为2.3％每khrs或更低；和h、其中，所述内腔包括至少含氧1％的气体；由此，在固态装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生CO2，从而固态装置的传播面和窗口的内表面保持无碳积聚。23.根据权利要求22所述的封装，其中密封容器具有至少5000小时的80％激光寿命。24.根据权利要求22所述的封装，其中密封容器具有至少10000小时的80％激光寿命。25.根据权利要求22所述的封装，其中密封容器具有包括5000小时至10000小时的80％激光寿命。26.根据权利要求22所述的封装，其中二极管激光器为TO
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9Can。27.根据权利要求22至26中任一权利要求所述的封装，其中所述功率密度为至少约10MW/cm2，所述激光束的功率为至少约2W，所述退化率为2.0％每khrs以下。28.根据权利要求22至26中任一权利要求所述的封装，其中所述功率密度为至少约5MW/cm2，所述激光束的功率为至少约1.5W，所述退化率为1.8％每khrs以下。29.根据权利要求22至26中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克，
申请(专利权)人：努布鲁有限公司，
类型：发明
国别省市：