CN104124605B - 一种高功率固体激光器的散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高功率固体激光器的散热装置，包括：热沉、分流式热管和冷却风扇，其中，热沉的一侧与高功率固体激光器的增益介质紧密接触，热沉的另一侧设有与分流式热管蒸发段形状吻合的凹槽；当分流式热管***热沉所述凹槽中时，分流式热管的冷凝段位于空气中，并由冷却风扇加速所述冷凝段的散热。本发明可以有效降低增益介质温度、减小增益介质因温度不均匀而引起的热应力形变，提高激光光束质量以及输出功率。同时，克服了现有技术中散热方式可能导致的漏水、体积大以及管路复杂等问题。

Description

一种高功率固体激光器的散热装置

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种高功率固体激光器的散热装置。

背景技术

高功率固体激光器具有效率高、光束质量好、体积小、结构紧凑等优点，在工业、科学研究和国家安全方面有着重要的应用。

固体激光器输入总能量中只有少部分转换为激光输出，其余绝大部分转换成增益介质的废热。固体激光器在工作过程中，由于泵浦光场分布不均匀以及外部冷却不均匀，在增益介质内部形成不均匀的温度场，从而产生热应力，并导致晶体的光学特性发生一定变化，进而引起应力双折射、热透镜效应和退偏效应，甚至断裂，严重影响了激光器谐振腔的稳定性、激光输出功率、输出光束质量、电光转换效率及激光器寿命。随着激光器功率水平不断提高和装置尺寸日益小型化，如何在有限空间内及时消除功率耗散所转化的废热，进行增益介质的有效冷却与温度控制，是大功率全固态激光器必须解决的关键问题。

现阶段固体激光器广泛采用的冷却方式为通过制冷设备提供温度较低的去离子水以实现增益介质的对流冷却，该方式简单易操控，但是存在漏水以及占用体积大、管路复杂、制冷量与固体激光器日益增大的功率不匹配等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种高功率固体激光器的散热装置，克服现有技术中散热方式可能导致的漏水、体积大以及管路复杂的问题。

本发明采用的技术方案是，所述高功率固体激光器的散热装置，包括：热沉、分流式热管和冷却风扇，其中，热沉的一侧与高功率固体激光器的增益介质紧密接触，热沉的另一侧设有与分流式热管蒸发段形状吻合的凹槽；

当分流式热管***热沉所述凹槽中时，分流式热管的冷凝段位于空气中，并由冷却风扇加速所述冷凝段的散热。

进一步的，所述散热装置，还包括：相变微胶囊板；

所述热沉的另一侧还设有空腔，用于匹配放置相变微胶囊板；

相变微胶囊板中设有供分流式热管穿过的孔，组成相变微胶囊板的材料紧密环绕分流式热管。

进一步的，组成相变微胶囊板的材料，包括：相变微胶囊、粘结剂以及掺杂的导热系数在200～6000W/(mK)的材料颗粒，所述掺杂的浓度分布与所述增益介质的热量分布相适应。

进一步的，所述热沉的另一侧设有端盖，用于固定所述分流式热管并防止相变微胶囊破裂导致液体从热沉中溢出。

进一步的，所述分流式热管，包括：内置管和外置管，内置管和外置管均为一端开口、另一端封闭的空心管，其中，内置管的封闭端一侧为作为分流式热管的蒸发段，内置管蒸发段附近设有若干个液体回流孔；外置管的封闭端一侧作为分流式热管的冷凝段，内置管在蒸发段以上部分经外置管的开口端套入外置管中；外置管的开口端通过焊接固定在内置管的外壁面上；分流式热管内部抽真空且注入循环工作介质，当位于内置管封闭端的工作介质被蒸发到内置管开口端后进入外置管中，经冷却凝结为液体沿着外置管内壁面流下来，再通过内置管上的液体回流孔回流到内置管的封闭端。

进一步的，工作介质为经过净化处理的水或者其他沸点介于60℃～100℃的液体；

所述外置管内壁面、液体回流孔中以及液体回流孔以下的内置管内壁面上均设有吸液芯。

进一步的，所述吸液芯包括：金属丝网吸液芯或者金属颗粒烧结吸液芯。

进一步的，当所述散热装置中的分流式热管为多个时，各分流式热管以顺序排列或者错开排列的方式分布于热沉中。

进一步的，分流式热管的蒸发段与热沉的接触地方涂有导热硅脂。

进一步的，热沉的一侧通过低接触热阻焊接的方式与高功率固体激光器的增益介质紧密接触。

采用上述技术方案，本发明所述固体激光器的散热装置，至少具有下列优点：

1)分流式热管较高的导热能力可以迅速将增益介质传递给热沉的热量带到外界环境中，未被及时散发出去的热量被相变微胶囊吸收；

2)相变微胶囊在相变过程中温度保持不变的特性有利于增益介质自身温度保持均匀；同时相变微胶囊平板中不均匀分布的高导热系数材料颗粒可以加快增益介质中热源集中部位的热量传递，进一步提高增益介质自身的温度均匀性；

3)分流式热管中，外置管为冷凝液的回流提供了单独的通道，减小了内置管内部蒸汽上升的阻力，提高了内置管的热量传递效率；同时抽真空处理以及吸液芯的布设，可以使该分流式热管安装位置不受限制。

附图说明

图1为本发明第一实施例的高功率固体激光器的散热装置的截面示意图；

图2为本发明第一实施例的热沉的剖面结构示意图；

图3为本发明第一实施例的分流式热管的剖面结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

本发明第一实施例，一种固体激光器的散热装置，如图1所示，包括以下组成部分：热沉2、分流式热管3、相变微胶囊板4和冷却风扇5，其中，热沉2可以为铜热沉。热沉2的一侧通过低接触热阻焊接的方式与高功率固体激光器的增益介质1紧密接触，该低接触热阻焊接的方式可以是蒸铟的方式等。

如图2所示，热沉2的另一侧设有端盖6、与分流式热管3蒸发段形状吻合的凹槽7、以及用于匹配放置相变微胶囊板空腔8。端盖6用于固定分流式热管3并防止相变微胶囊破裂导致液体从热沉中溢出。

相变微胶囊板4中设有供分流式热管3穿过的孔，组成相变微胶囊板4的材料紧密环绕分流式热管3。

当分流式热管3穿过相变微胶囊板4***热沉2上的所述凹槽中时，分流式热管3的冷凝段位于空气中，并由冷却风扇5加速所述冷凝段的散热。

具体的，组成相变微胶囊板4的材料，包括：相变微胶囊、粘结剂以及掺杂的导热系数在200～6000W/(mK)的材料颗粒，所述掺杂的浓度分布与所述增益介质的热量分布相适应。该材料颗粒可以为铜粉或者金刚石、石墨烯、碳纳米管等高导热系数材料。通常固体激光器的增益介质1的两端温度较高，而中间温度较低，因此，可以将位于增益介质1两端附近的分流式热管3周围的相变微胶囊板4中掺杂的材料颗粒的浓度提高，而将位于增益介质1中间附近的分流式热管3周围的相变微胶囊板4中掺杂的材料颗粒的浓度降低，以使在各分流式热管3并排的方向上即增益介质1的温度尽快均衡。

如图2所示，分流式热管3包括：内置管30和外置管31，内置管30和外置管31均为一端开口、另一端封闭的空心管，其中，内置管30与外置管之间形成回流腔32，内置管30的封闭端一侧作为分流式热管的蒸发段；外置管31的封闭端一侧作为分流式热管的冷凝段，内置管31在蒸发段以上部分经外置管31的开口端套入外置管31中；内置管30蒸发段附近设有若干个液体回流孔33；外置管31开口端通过焊接固定在内置管30外壁面上，分流式热管3内部抽真空且注入循环工作介质，该工作介质可以为经过净化处理的水或者其他沸点介于60℃～100℃的液体。

当位于内置管30封闭端的工作介质被蒸发到内置管30开口端后进入外置管31中，经冷却凝结为液体沿着外置管31内壁面流下来，再通过内置管30上的液体回流孔33回流到内置管30的封闭端。

优选的，外置管31的内壁面、液体回流孔33中以及液体回流孔33以下的内置管30内壁面上均设有吸液芯。该吸液芯可以选用：金属丝网吸液芯或者金属颗粒烧结吸液芯。

优选的，当所述散热装置中的分流式热管为多个时，各分流式热管以顺序排列或者错开排列的方式分布于热沉中。

优选的，分流式热管的蒸发段与热沉的接触地方可以涂有导热硅脂，用于减少接触热阻。

在本实施例中，如图1所示，高功率固体激光器的增益介质1位于两个完全一样的所述散热装置之间，保证增益介质两侧面散热的均匀一致。相变微胶囊板4填充于热沉2的空腔中，分流式热管3贯穿相变微胶囊板4，其蒸发端嵌套在热沉2与增益介质1接触的一端，冷凝段位于空气中，并在冷凝段设置冷却风扇5，依靠空气强制对流换热将冷凝段的热量带走。在高功率固体激光器工作过程中，增益介质1中的热量通过扩散焊接层传导到热沉2中，嵌在热沉2内部的内置管30内的工作介质在蒸发端发生蒸发或者沸腾吸收热量，蒸汽沿着内置管30的轴向到达内置管30顶部后进入到外置管31中，并在外置管31封闭端区域冷凝为液态，冷凝液依靠外置管31内壁面附着的金属丝网吸液芯或者金属颗粒烧结吸液芯提供的毛细力，使冷凝成液态的工作介质又回流到外置管31底部，并由液体回流孔33进入内置管30的蒸发段，同时内置管30的蒸发段内壁面上的吸液芯使冷凝液均匀分布于蒸发段，并进行下一次循环；如此循环便可实现将分流式热管3底部的发热器件产生热量传导到分流式热管3顶部，并通过冷凝段的翅片和风扇将热量散发到外界，避免热量在发热部位堆积。

相变微胶囊4发生相变时可以吸收较大的潜热，进一步降低增益介质1的温度，相变微胶囊4中掺杂的浓度不均匀的高导热系数固体颗粒可以加快增益介质1内部热量集中部位的热量传递，调整其自身的热量分布，提高增益介质1的温度均匀性。在本领域中，相变材料属于能源材料的范畴，其在物态变化时可吸收或放出大量潜热的特性使其在工业节能和新能源方面的应用日益受到重视。同时，其物态变化时温度保持不变的特性也为周期性工作的固体激光器的温控提供了一种高可靠性和适用性的控温方案。相变微胶囊作为一种现有的新型相变材料，在相变前后均能维持原来的形态，同时在制作成相变微胶囊板的过程中可以添加高导热系数的金属颗粒来弥补相变材料本身导热系数较小的缺陷，因而具有广阔的应用前景。

本发明第二实施例，一种高功率固体激光器的散热装置，本实施例的所述散热装置与第一实施例大致相同，区别仅在于，本实施例的所述散热装置包括以下组成部分：热沉、分流式热管和冷却风扇，而不包含相变微胶囊板。

其中，热沉的一侧与高功率固体激光器的增益介质紧密接触，热沉的另一侧设有与分流式热管蒸发段形状吻合的凹槽；

当分流式热管***热沉所述凹槽中时，分流式热管的冷凝段位于空气中，并由冷却风扇加速所述冷凝段的散热。

本实施例通过分流式热管的设计可以对高功率固体激光器进行高效冷却，但是由于不引入相变微胶囊板，所以对于热沉中热量的均衡的实现效果就不如第一实施例了。

采用上述技术方案，本发明所述高功率固体激光器的散热装置，至少具有下列优点：

1)分流式热管较高的导热能力可以迅速将增益介质传递给热沉的热量带到外界环境中，未被及时散发出去的热量被相变微胶囊吸收；

2)相变微胶囊在相变过程中温度保持不变的特性有利于增益介质自身温度保持均匀；同时相变微胶囊平板中不均匀分布的高导热系数材料颗粒可以加快增益介质中热源集中部位的热量传递，进一步提高增益介质自身的温度均匀性；

3)分流式热管中，外置管为冷凝液的回流提供了单独的通道，减小了内置管内部蒸汽上升的阻力，提高了内置管的热量传递效率；同时抽真空处理以及吸液芯的布设，可以使该分流式热管安装位置不受限制。

4)可以有效降低增益介质温度、减小增益介质因温度不均匀而引起的热应力形变，提高激光光束质量以及输出功率。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (8)

1.一种高功率固体激光器的散热装置，其特征在于，包括：热沉、分流式热管和冷却风扇，其中，热沉的一侧与所述固体激光器的增益介质紧密接触，热沉的另一侧设有与分流式热管蒸发段形状吻合的凹槽；

当分流式热管***所述热沉的凹槽中时，分流式热管的冷凝段位于空气中，并由冷却风扇加速所述冷凝段的散热；

所述散热装置，还包括：相变微胶囊板；

组成所述相变微胶囊板的材料，包括：相变微胶囊、粘结剂以及掺杂的导热系数在200～6000W/(mK)的材料颗粒，所述掺杂的浓度分布与所述增益介质的热量分布相适应；

所述分流式热管，包括：内置管和外置管，内置管和外置管均为一端开口、另一端封闭的空心管，其中，内置管的封闭端一侧为作为分流式热管的蒸发段，内置管蒸发段附近设有若干个液体回流孔；外置管的封闭端一侧作为分流式热管的冷凝段，内置管在蒸发段以上部分经外置管的开口端套入外置管中；外置管的开口端通过焊接固定在内置管的外壁面上；分流式热管内部抽真空且注入循环工作介质，当位于内置管封闭端的工作介质被蒸发到内置管开口端后进入外置管中，经冷却凝结为液体沿着外置管内壁面流下来，再通过内置管上的液体回流孔回流到内置管的封闭端；所述液体回流孔位于内置管与外置管的焊接处的上方。

2.根据权利要求1所述的高功率固体激光器的散热装置，其特征在于，

所述热沉的另一侧还设有空腔，用于匹配放置相变微胶囊板；

相变微胶囊板中设有供分流式热管穿过的孔，组成相变微胶囊板的材料紧密环绕分流式热管。

3.根据权利要求1所述的高功率固体激光器的散热装置，其特征在于，所述热沉的另一侧设有端盖，用于固定所述分流式热管并防止相变微胶囊破裂导致液体从热沉中溢出。

4.根据权利要求1所述的高功率固体激光器的散热装置，其特征在于，工作介质为经过净化处理的水或者其他沸点介于60℃～100℃的液体；

所述外置管内壁面、液体回流孔中以及液体回流孔以下的内置管内壁面上均设有吸液芯。

5.根据权利要求4所述的高功率固体激光器的散热装置，其特征在于，所述吸液芯包括：金属丝网吸液芯或者金属颗粒烧结吸液芯。

6.根据权利要求1所述的高功率固体激光器的散热装置，其特征在于，当所述散热装置中的分流式热管为多个时，各分流式热管以顺序排列或者错开排列的方式分布于热沉中。

7.根据权利要求1所述的高功率固体激光器的散热装置，其特征在于，分流式热管的蒸发段与热沉的接触地方涂有导热硅脂。

8.根据权利要求1所述的高功率固体激光器的散热装置，其特征在于，所述热沉的一侧通过低接触热阻焊接的方式与所述固体激光器的增益介质紧密接触。