基于碳化硅晶體的端面泵浦板條激光放大器晶體冷卻模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種板條激光放大器技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體涉及一種基于碳化硅(SiC)晶體的端面栗浦板條激光放大器晶體冷卻模塊。
技術(shù)背景
[0002]半導(dǎo)體栗浦的全固態(tài)激光器(D1de Pumped Solid State Laser,簡稱為DPSSL)，是固體激光技術(shù)發(fā)展過程中的巨大革新。過去幾十年，DPSSL得到了迅猛的發(fā)展，它兼顧了半導(dǎo)體和固體激光器各自的優(yōu)點(diǎn)，在激光器的壽命、效率、光束質(zhì)量、可靠性以及穩(wěn)定性等方面都得到了很大的改善，從而得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的固體激光器增益介質(zhì)多采用棒狀形式，這種激光器在承受熱負(fù)荷時(shí)徑向溫度梯度大，熱效應(yīng)(包括熱透鏡效應(yīng)、熱致雙折射效應(yīng)等)嚴(yán)重，大大影響了輸出光束的光束質(zhì)量，限制了激光器的輸出功率；碟片激光器很好的解決了晶體的熱效應(yīng)，但是由于碟片晶體厚度薄，軸向增益低，難以獲得高效率激光輸出；板條激光器本身的幾何結(jié)構(gòu)消除了應(yīng)力感生雙折射，采用晶體的兩個(gè)大面進(jìn)行冷卻，消除了一級(jí)熱效應(yīng)，并且它在軸向增益高，效率高，可以得到比棒狀固體激光器更好的光束質(zhì)量和更高的平均輸出功率。同時(shí)，為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，選用光束質(zhì)量接近衍射極限的種子激光器作為主振蕩級(jí)，采用板條作為激光放大器，可以較高的輸出功率和良好的光束質(zhì)量。
[0003]板條激光放大器又具有很多類型，按栗浦方式來分主要有:端面栗浦、側(cè)面栗浦以及上下表面靠近端面處帶狀局部栗浦和上下表面大面積栗浦四種。上下表面大面積栗浦只能將上下兩個(gè)表面分別作為栗浦面和制冷面，單一表面進(jìn)行制冷容易在栗浦方向的縱向上產(chǎn)生熱梯度，影響輸出光束的光束質(zhì)量。側(cè)面栗浦方式栗浦光只能從兩個(gè)小的側(cè)面進(jìn)行栗浦，這就要求栗浦光有較好的方向性才能耦合進(jìn)增益介質(zhì)。而端面栗浦方式可以使種子光束與栗浦光束得到很好的匹配，在保證高光束質(zhì)量的前提下獲得高功率的激光輸出，是目前板條激光器和板條激光放大器最常采用的方式。
[0004]目前板條狀晶體(如圖1所示)基本上在兩個(gè)大面采用水冷熱沉來進(jìn)行散熱，這樣在均勻栗浦的情況下，工作介質(zhì)內(nèi)的溫度梯度是一維分布的，即溫度梯度只存在于垂直晶體大面的方向上。這種一維的熱場分布，不易產(chǎn)生熱致雙折射從而防止了熱退偏，以達(dá)到減弱甚至消除熱透鏡的目的。目前通常是將激光晶體(如摻釹釩酸釔等)兩個(gè)大面鍍金然后焊接到銅質(zhì)的熱沉上，由于受到熱沉體積的限制只能進(jìn)行微通道冷卻，在大功率栗浦情況下散熱不及時(shí)，這樣晶體在栗浦過程中受熱極易在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形甚至破裂。并且銅質(zhì)熱沉在通水過程中易產(chǎn)生銅銹，如果采用微通道方式冷卻的話極易造成微通道堵塞造成冷卻失效，影響輸出光束的功率和光束質(zhì)量，甚至造成晶體炸裂。北京理工大學(xué)張恒利提交的申請(qǐng)?zhí)枮?01010194290.X、發(fā)明名稱為“閃光燈栗浦半條增益模塊”的專利申請(qǐng)即屬于此列。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有的端面栗浦板條激光器中板條晶體采用金屬熱沉焊接冷卻方案中，在大功率栗浦情況下晶體散熱不及時(shí)以及銅質(zhì)材料在通水過程中易產(chǎn)生銅銹堵塞熱沉造成元件損壞或失效的不足，采用熱導(dǎo)率高并且熱膨脹系數(shù)與增益介質(zhì)非常接近的碳化硅晶體作為冷卻熱沉，晶體和熱沉通過鍵合或光膠的方式結(jié)合，消除晶體在受熱過程中因熱應(yīng)力產(chǎn)生的變形，將熱應(yīng)力對(duì)光學(xué)元件的危害降至最低，從而在較高的栗浦功率下獲得大功率高光束質(zhì)量的激光輸出而提出的一種基于碳化硅晶體的端面栗浦板條激光放大器晶體冷卻模塊。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種基于碳化硅晶體的端面栗浦板條激光放大器晶體冷卻模塊，包括:碳化硅熱沉1、板條激光晶體、碳化硅熱沉2、絕熱轉(zhuǎn)接固定板，其特征在于碳化硅熱沉I和碳化硅熱沉2是長方體板型材，其底面中間帶有凹陷面，兩碳化硅熱沉I和2上與底面相平行的方向上分別帶有水流通道，兩碳化硅熱沉I和2帶有凹陷面的底面分別與板條激光晶體兩個(gè)冷卻面鍵合或膠合連接，碳化硅熱沉I和2的兩凹陷面略大于板條激光晶體的冷卻面，使得凹陷面與板條激光晶體的冷卻面能緊密的接觸；碳化硅熱沉2被固定在絕熱轉(zhuǎn)接固定板上。
[0008]所述的碳化硅熱沉I和碳化硅熱沉2當(dāng)中水流通道采用微通道方式，以確保激光晶體均勻散熱，消除局部熱梯度；
[0009]所述的絕熱轉(zhuǎn)接固定板材料為有機(jī)玻璃；
[0010]所述的碳化硅熱沉2被固定在絕熱轉(zhuǎn)接固定板上的固定方式采用膠合連接的方式。
[0011]所述的板條激光晶體結(jié)構(gòu)是指冷卻面(上下兩個(gè)大面)遠(yuǎn)大于通光面的矩形板條狀結(jié)構(gòu)。
[0012]本實(shí)用新型提供的高效冷卻的端面栗浦板條激光晶體冷卻模塊采用熱導(dǎo)率高并且熱膨脹系數(shù)與增益介質(zhì)非常接近的碳化硅晶體作為熱沉，消除了金屬材料在通水過程中產(chǎn)生水銹堵塞熱沉造成元件損壞或失效的問題；晶體通過鍵合或膠合方式連接，消除了晶體在受熱過程中因熱應(yīng)力造成的變形，將熱應(yīng)力對(duì)光學(xué)元件的危害降至最低；晶體除通光面外均與熱沉具有很好的接觸，更有利于晶體的散熱；熱沉通過絕熱轉(zhuǎn)接固定板固定，消除了由于冷卻模塊與固定裝置之間的熱梯度產(chǎn)生的變形。
【附圖說明】
[0013]圖1是一般金屬焊接熱沉接觸冷卻板條激光晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本實(shí)用新型冷卻模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]其中:1、碳化硅熱沉1，2、碳化硅熱沉2，3、板條激光晶體，4、絕熱轉(zhuǎn)接固定板，5、為碳化硅熱沉I的凹陷面，6、是碳化硅熱沉2的凹陷面，7、是碳化硅熱沉I的水流通道，8、碳化硅熱沉2的水流通道。
[0016]圖3是本實(shí)用新型用于LD端面栗浦板條激光放大器的栗浦結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]其中:9、LDA栗浦源，10、栗浦波導(dǎo)耦合系統(tǒng)，11、板條激光晶體冷卻模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0019]實(shí)施例1:
[0020]本實(shí)用新型實(shí)施例1如圖2所示，一種基于碳化硅晶體的端面栗浦板條激光放大器晶體冷卻模塊，包括:碳化硅熱沉1、板條激光晶體3、碳化硅熱沉2、絕熱轉(zhuǎn)接固定板4，其特征在于碳化硅熱沉I和碳化硅熱沉2是長方體板型材，其底面中間帶有凹陷面5和6，兩碳化硅熱沉I和2上與底面相平行的方向上分別帶有水流通道7和8，兩碳化硅熱沉I和2帶有凹陷面的底面分別與板條激光晶體3兩個(gè)冷卻面鍵合連接，碳化硅熱沉I和2的兩凹陷面5和6略大于板條激光晶體3的冷卻面，使得凹陷面5和6與板條激光晶體3的冷卻面能緊密的接觸；碳化硅熱沉2被固定在絕熱轉(zhuǎn)接固定板4上。
[0021]所述的碳化硅熱沉I和碳化硅熱沉2當(dāng)中水流通道采用微通道方式，以確保激光晶體均勻散熱，消除局部熱梯度；
[0022]所述的絕熱轉(zhuǎn)接固定板材料為有機(jī)玻璃；
[0023]所述的絕熱轉(zhuǎn)接固定板與碳化硅熱沉2采用膠合的形式連接。
[0024]本實(shí)施例板條激光晶體是具有上下兩個(gè)大面的板條狀結(jié)構(gòu)，以尺寸
10X 12 X Imm3 (Imm為晶體厚度，12mm為晶體長度)的摻釹f凡酸乾晶體為例，摻釹鑰Jll乙晶體激光晶體6面拋光；碳化硅熱沉1、2表面也進(jìn)行拋光處理，板條激光晶體兩個(gè)大面通過膠合分別與兩個(gè)碳化硅熱沉連接；碳化硅熱沉水流通道采用多通道(微通道)形式，這樣可以增加冷卻面積并形成湍流，使晶體散熱更加均勻?qū)崿F(xiàn)更好的冷卻效果；碳化硅熱沉可以消除金屬熱沉在同水冷卻時(shí)產(chǎn)生水銹堵塞水道而造成的元件的損壞或失效；碳化硅晶體不僅熱導(dǎo)率高，而且熱膨脹系數(shù)與板條激光晶體的熱膨脹系數(shù)相近，熱沉與激光晶體通過鍵合或膠合的方式連接，消除了以往金屬焊接熱沉帶來的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力；整個(gè)熱沉通過絕熱轉(zhuǎn)接固定板4進(jìn)行固定，可以消除由于冷卻模塊在冷卻過程中與固定裝置之間產(chǎn)生的溫度梯度造成的熱應(yīng)力。
[0025]摻釹釩酸釔晶體兩個(gè)大面分別鍵合或膠合碳化硅熱沉I和熱沉2，碳化硅熱沉I和2內(nèi)部加工成多通道(微通道)形式，熱沉I和熱沉2分別通水對(duì)晶體進(jìn)行冷卻。如說明書附圖3所示，栗浦源LDA發(fā)出的光束經(jīng)波導(dǎo)耦合系統(tǒng)整形成與板條晶體截面相匹配的長條形光束(光束水平方向?yàn)槠巾敺植迹谪Q直方向?yàn)楦咚狗植?，光束聚焦鏡之后入射到板條激光晶體上(光斑大小:?10X0.3mm2)，板條晶體通過冷卻模塊通水冷卻。
[0026]實(shí)施例2:
[0027]同實(shí)施例1相同，只是兩碳化硅熱沉I和2帶有凹陷面的底面分別與板條激光晶體3兩個(gè)冷卻面是膠合連接。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于碳化硅晶體的端面栗浦板條激光放大器晶體冷卻模塊，包括碳化硅熱沉1、板條激光晶體、碳化硅熱沉2和絕熱轉(zhuǎn)接固定板，其特征在于碳化硅熱沉I和碳化硅熱沉2是長方體板型材，其底面中間帶有凹陷面，兩碳化硅熱沉I和2上與底面相平行的方向上分別帶有水流通道，兩碳化硅熱沉I和2帶有凹陷面的底面分別與板條激光晶體兩個(gè)冷卻面鍵合或膠合連接，碳化硅熱沉I和2的兩凹陷面略大于板條激光晶體的冷卻面，使得凹陷面與板條激光晶體的冷卻面能緊密的接觸；碳化硅熱沉2被固定在絕熱轉(zhuǎn)接固定板上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于碳化硅晶體的端面栗浦板條激光放大器晶體冷卻模塊，其特征在于所述的碳化硅熱沉I和碳化硅熱沉2當(dāng)中水流通道采用微通道方式。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于碳化硅晶體的端面栗浦板條激光放大器晶體冷卻模塊，其特征在于所述的絕熱轉(zhuǎn)接固定板材料為有機(jī)玻璃。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于碳化硅晶體的端面栗浦板條激光放大器晶體冷卻模塊，其特征在于所述的碳化硅熱沉2被固定在絕熱轉(zhuǎn)接固定板上的固定方式采用膠合連接的方式。
【專利摘要】基于碳化硅晶體的端面泵浦板條激光放大器晶體冷卻模塊，屬板條激光放大器技術(shù)領(lǐng)域，包括碳化硅熱沉1、板條激光晶體、碳化硅熱沉2、絕熱轉(zhuǎn)接固定板；本實(shí)用新型采用熱導(dǎo)率高并且熱膨脹系數(shù)與增益介質(zhì)非常接近的碳化硅晶體作為冷卻熱沉，晶體和熱沉通過鍵合或光膠的方式結(jié)合，消除晶體在受熱過程中因熱應(yīng)力產(chǎn)生的變形，將熱應(yīng)力對(duì)光學(xué)元件的危害降至最低，大大提高了板條激光放大器的提取效率，從而在較高的泵浦功率下獲得大功率高光束質(zhì)量的激光輸出。
【IPC分類】H01S3/042
【公開號(hào)】CN204858257
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520519306
【發(fā)明人】寧建, 韓克禎, 王兆偉, 王祎然, 侯佳, 張百濤, 何京良
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年7月16日