CN109361138B - 一种板条激光增益介质封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种板条激光增益介质封装方法，涉及固体激光器技术领域，该方法包含如下步骤：对板条激光增益介质的焊接面进行镀膜处理；对热沉的焊接面进行处理，使所述热沉的焊接面满足指定要求；选取焊接过渡片，通过两块热沉的焊接面各包夹一块所选取的焊接过渡片，在两块焊接过渡片之间包夹设置所述板条激光增益介质组成焊接体；对所述焊接体进行焊接，完成所述板条激光增益介质的封装。本发明封装方法降低激光增益介质和热沉的焊接应力，从而降低了激光增益介质和热沉的焊接层的热应力，提高板条激光增益介质模块的光束质量及可靠性。

Description

一种板条激光增益介质封装方法
技术领域
本发明涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种板条激光增益介质封装方法，特别是大尺寸的固体激光器的板条激光增益介质的低应力封装方法。
背景技术
固体激光器的激光增益介质在光泵浦过程中，由于泵浦带与上激光能级之间的光子能差以热的方式散到增益介质晶格中，下激光能级与基能态之间的能差转化等，使激光增益介质产生大量热，从而使激光增益介质本身的温度迅速升高。为了保证激光增益介质能够正常工作，必须对激光增益介质进行冷却。
板条激光增益介质使光线沿着z字形光路传播，在理想的状态下，该板条结构产生垂直于板条大表面的一维温度梯度和平行于板条大表面的热应力，在板条的中心面上，热分布对称，板条大表面之间的热应力最终为平衡值0。但在实践应用中，板条激光增益介质通常采用铟或金锡合金焊料作为与热沉的连接材质，在高于焊料熔点的温度下进行焊接，焊料经过熔化再凝固的过程后，焊接层的焊料分布不均匀，板条激光增益介质的冷却不可避免地出现不均匀性，从而使焊接层产生不均匀分布的热应力。在焊接层的热畸变作用下，板条激光增益介质的热效应加重，会产生严重的热透镜效应、热致应力双折射、热致衍射损坏、热致晶体碎裂等效应，直接影响固体激光器的光束质量和可靠性。
发明内容
本发明实施例提供一种板条激光增益介质封装方法，用以解决现有技术中存在的焊接层在激光增益介质工作时的热畸变的问题。
本发明实施例提供一种适用于固体激光器的板条激光增益介质的封装方法，该方法包括下列步骤：
一种板条激光增益介质封装方法，该方法包含如下步骤：
对板条激光增益介质的焊接面进行镀膜处理；
对热沉的焊接面进行处理，使所述热沉的焊接面满足设定要求；
选取焊接过渡片，通过两块经过处理的热沉的焊接面各包夹一块所选取的焊接过渡片，在两块焊接过渡片之间包夹设置镀膜处理后的板条激光增益介质组成焊接体；
对所述焊接体进行焊接，完成所述板条激光增益介质的封装。
可选的，所述对板条激光增益介质进行镀膜处理具体为，在所述板条激光增益介质的两个表面均依次镀上光学膜、钛膜、铂膜、金膜和铟膜。
可选的，所述热沉的内部设置有微通道水冷结构，所述对热沉的焊接面进行处理具体为，在所述热沉的焊接面镀上金膜和铟膜，使得所述热沉的焊接面满足，清洁度≤0.1mg/cm2，平面度≤0.5λ，λ表示波长，光洁度≤40/20。
可选的，选取的焊接过渡片为金刚石片、钨铜片、金箔、银箔或铜箔，且所述焊接过渡片的大小与所述板条激光增益介质的焊接面大小相同。
可选的，对所述焊接体进行焊接，具体包含，
将所述焊接体放入真空焊接炉中；
将真空焊接炉抽真空至6×10-3～8×10-4Pa，设置真空焊接炉温度为170℃～260℃进行焊接；
保温5～10分钟后，关掉真空焊接炉的加热电源，保持真空状态下冷却至室温；
取出焊接体，完成焊接过程。
可选的，所述板条激光增益介质为掺Nd3+的板条激光晶体、掺Nd3+的板条激光陶瓷、掺Yb3+的板条激光晶体或掺Yb3+的板条激光陶瓷。
可选的，所述光学膜为二氧化硅膜，厚度为2～5μm，钛膜厚度为100～300nm，铂膜厚度为100～300nm，金膜厚度为300～800nm，铟膜厚度为5～80μm。
可选的，在所述热沉的焊接面上镀金膜的厚度为300～500nm，镀铟膜厚度为8～80μm。
可选的，所述焊接过渡片的厚度为2～150μm。
本发明实施例利用在板条激光增益介质和热沉的焊接层中间夹一片热膨胀系数与激光增益介质相似或柔韧度及导热性良好的过渡片，降低激光增益介质和热沉的焊接应力，从而降低了激光增益介质和热沉的焊接层的热应力，提高板条激光增益介质模块的光束质量及可靠性，取得了积极的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例板条激光增益介质封装流程图；
图2为本发明实施例板条激光增益介质封装结构示意图；
图中：1-热沉，2-热沉金属层，3-过渡片，4-板条金属层，5-板条激光增益介质。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明所要提供的是一种板条激光增益介质的低应力封装方法，利用在板条激光增益介质和热沉的焊接层中间夹一片热膨胀系数与激光增益介质相似或柔韧度及导热性良好的过渡片，起到降低激光增益介质和热沉的焊接应力，减小焊接层在激光增益介质工作时热畸变的作用。
本发明第一实施例提供一种板条激光增益介质封装方法，如图1所示，该方法包括以下具体步骤：
①对板条激光增益介质5的焊接面进行镀膜处理：对板条激光增益介质5的两个焊接面分别依次镀上光学膜、钛膜、铂膜、金膜和铟膜，在两个焊接面上形成板条金属层4。
对热沉1的焊接面进行处理，使热沉1的焊接面满足设定要求：
②对热沉1的处理：本实施例中的热沉1是内部具有微通道水冷结构的紫铜热沉，在热沉1的焊接面镀有金膜和铟膜，形成热沉金属层2，热沉1与板条激光增益介质5相对的焊接面要求达到设定要求：清洁度≤0.1mg/cm2，平面度≤0.5λ，λ为波长，本实施例中λ＝632.8nm，光洁度≤40/20。
选取焊接过渡片3：
③焊接过渡片：焊接过渡片3夹在板条激光增益介质5与热沉1之间，本实施例中焊接过渡片3可以为金刚石片、钨铜片、金箔、银箔、铜箔等热膨胀系数与激光增益介质相似或柔韧度及导热性良好的过渡片，焊接过渡片3的尺寸大小与板条激光增益介质的焊接面相同即可。
通过两块经过处理的热沉的焊接面各包夹一块所选取的焊接过渡片，在两块焊接过渡片之间包夹设置镀膜处理后的板条激光增益介质组成焊接体：
④叠放形成焊接体，如图2所示，堆叠方式为，自下至上依次为，焊接面向上的热沉1、焊接过渡片3、板条激光增益介质5、焊接过渡片3、焊接面向下的热沉1，以上组成类似三明治结构的焊接体。
对焊接体进行焊接，完成板条激光增益介质的封装：
⑤将焊接体放入真空焊接炉中，焊接前对真空焊接炉抽真空至6×10-3～8×10- 4Pa，焊接温度设置为170℃～260℃，并保温5～10分钟后，关掉加热电源，将焊接体保存在真空焊接炉内保持真空的状态下冷却至室温后，接着将焊接体拿出真空炉，焊接过程结束。
可选的，本发明中的板条激光增益介质5可以为掺Nd3+的板条激光晶体，掺Nd3+的板条激光陶瓷，掺Yb3+的板条激光晶体，掺Yb3+的板条激光陶瓷等等。
在前述实施例的条件下，可选的本实施例中板条激光增益介质5表面镀的光学膜为二氧化硅膜，厚度为2～5μm；钛膜厚度为100～300nm，铂膜厚度为100～300nm，金膜厚度为300～800nm，铟膜厚度为5～80μm。
在热沉1的焊接面镀有金膜、铟膜，其中，镀金膜厚度为300～500nm，镀铟膜厚度为8～80μm。
可选的，本实施例中所选用的焊接过渡片的厚度为2～150μm，板条激光增益介质的尺寸为：厚度1～3mm，宽度10～50mm，长度10～200mm。
本发明第二实施例提供一种板条激光增益介质封装方法，基于前述封装方法，本实施例中，板条激光增益介质为Nd:YAG板条激光晶体，尺寸为3mm×40mm×140mm，Nd:YAG板条激光晶体的光学膜厚为3μm，钛膜厚为300nm，铂膜厚为300nm，金膜厚为800nm，铟膜厚为10μm。过渡片为金箔，厚度为50μm，面积为38mm×120mm。热沉的金膜厚的为800nm，铟膜厚度为30μm，面积为38mm×120mm。自下至上依次放置焊接面向上的热沉1、过渡片金箔、Nd:YAG板条激光晶体，过渡片金箔，焊接面向下的热沉2，以上组成焊接体。将焊接体放入真空焊接炉中，对真空焊接炉抽真空至8×10-4Pa，焊接温度为190℃，并保温5分钟后，关掉加热电源，真空状态下冷却至室温，焊接过程结束。
在静态情况下，平行光以相应角度透射板条，波前畸变PV值控制在1μm以内，RMS控制在0.2μm以内，在满负荷工作的动态情况下PV值控制在2.5μm以内，RMS值控制在0.4μm以内，相比常规封装方法，本实施例，进一步降低了板条激光增益介质和热沉的焊接应力，减小了焊接层的热畸变。
本发明第三实施例提供一种板条激光增益介质封装方法，基于前述封装方法，本实施例中，板条激光增益介质为Nd:YAG板条激光陶瓷，尺寸为2mm×10mm×80mm，Nd:YAG板条激光陶瓷的光学膜厚为3μm，钛膜厚为200nm，铂膜厚为200nm，金膜厚为600nm，铟膜厚为8μm。过渡片为金刚石片，厚度为20μm，面积为10mm×60mm。热沉的金膜厚的为600nm，铟膜厚度为10μm，面积为10mm×60mm。自下至上依次放置焊接面向上的热沉1、金刚石片、Nd:YAG板条激光陶瓷，金刚石片，焊接面向下的热沉2，以上组成焊接体。将焊接体放入真空焊接炉中，对真空焊接炉抽真空至6×10-4Pa，焊接温度为175℃，并保温10分钟后，关掉加热电源，真空状态下冷却至室温，焊接过程结束。
在静态情况下，平行光以相应角度透射板条，波前畸变PV值控制在1μm以内，RMS控制在0.2μm以内，在满负荷工作的动态情况下PV值控制在2.5μm以内，RMS值控制在0.4μm以内，相比常规封装方法，本实施例，进一步降低了板条激光增益介质和热沉的焊接应力，减小了焊接层的热畸变。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种板条激光增益介质封装方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：
对板条激光增益介质的焊接面进行镀膜处理；
对热沉的焊接面进行处理，使所述热沉的焊接面满足设定要求；
选取焊接过渡片，通过两块经过处理的热沉的焊接面各包夹一块所选取的焊接过渡片，在两块焊接过渡片之间包夹设置镀膜处理后的板条激光增益介质组成焊接体；
对所述焊接体进行焊接，完成所述板条激光增益介质的封装；
选取的焊接过渡片的热膨胀系数与所述板条激光增益介质相近；
对所述焊接体进行焊接，具体包含，
将所述焊接体放入真空焊接炉中；
将真空焊接炉抽真空至6×10-3～8×10-4Pa，设置真空焊接炉温度为170℃～260℃进行焊接；
保温5～10分钟后，关掉真空焊接炉的加热电源，保持真空状态下冷却至室温；
取出焊接体，完成焊接过程。
2.如权利要求1所述的一种板条激光增益介质封装方法，其特征在于，所述对板条激光增益介质进行镀膜处理具体为，在所述板条激光增益介质的两个表面均依次镀上光学膜、钛膜、铂膜、金膜和铟膜。
3.如权利要求1所述的一种板条激光增益介质封装方法，其特征在于，所述热沉的内部设置有微通道水冷结构，所述对热沉的焊接面进行处理具体为，在所述热沉的焊接面镀上金膜和铟膜，使得所述热沉的焊接面满足，清洁度≤0.1mg/cm2，平面度≤0.5λ，λ表示波长，光洁度≤40/20。
4.如权利要求3所述的一种板条激光增益介质封装方法，其特征在于，选取的焊接过渡片为金刚石片、钨铜片、金箔、银箔或铜箔，且所述焊接过渡片的大小与所述板条激光增益介质的焊接面大小相同。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种板条激光增益介质封装方法，其特征在于，所述板条激光增益介质为掺Nd3+的板条激光晶体、掺Nd3+的板条激光陶瓷、掺Yb3+的板条激光晶体或掺Yb3+的板条激光陶瓷。
6.如权利要求2所述的一种板条激光增益介质封装方法，其特征在于，所述光学膜为二氧化硅膜，厚度为2～5μm，钛膜厚度为100～300nm，铂膜厚度为100～300nm，金膜厚度为300～800nm，铟膜厚度为5～80μm。
7.如权利要求3所述的一种板条激光增益介质封装方法，其特征在于，在所述热沉的焊接面上镀金膜的厚度为300～500nm，镀铟膜厚度为8～80μm。
8.如权利要求4所述的一种板条激光增益介质封装方法，其特征在于，所述焊接过渡片的厚度为2～150μm。
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