CN111854291A - 高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法，整个模块包括光栅结构层、光栅基板、微通道冷却层、导流层、密封板和冷却液进出口部分组成，首先利用高热导、低膨胀材料制备光栅基板、微通道冷却层和密封板，然后利用共晶焊料在真空焊炉中将所有部件焊接在一起并进行退火处理，随后对光栅基板再次抛光修正其面形，并最终在其表面完成合束光栅结构制备。本发明解决了传统的冷却方案因冷却模块和合束光栅相互独立而导致的整个光栅冷却模块装配复杂、体积大、重量重、冷却效果不理想的问题，十分有利于高功率光谱合束***的小型化、轻量化。

Description

高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法

技术领域

本发明涉及光谱合束技术中光谱合束光栅在高功率连续激光作用下的冷却领域，特别是一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法。

背景技术

基于光谱合束技术(spectral beam-combining,SBC)【在先技术1：C.Wirthet.al.,Opt.Lett,Vol.36,3118-3120,(2011)】的高能光谱合束激光在激光加工、激光武器等领域具有重要的应用价值。光谱合束光栅是该技术方案的核心关键元器件。然而，在激光照射下，合束光栅表面薄膜材料及基体材料的光吸收会导致光栅温度升高，由此产生的热应力和温度梯度会导致光栅表面热变形，特别是在万瓦级以上高功率激光长时间辐照下，合束光栅的温升会导致光栅结构损伤，使其失效。在此情况下，对光栅进行冷却是提升合束光栅抗激光损伤能力和合束***输出功率的一种有效措施。常用的冷却方案主要包括：采用风扇对光栅基板吹风，通过空气对流降温；将光栅装配到半导体制冷(thermo-electriccooler,TEC)模块或是微通道热沉的冷端，以热传导方式进行降温。其中，风冷会引起光栅周围气流的扰动，导致衍射光束指向性抖动和波前恶化；半导体制冷具有制冷速度快、效率高、噪音小等优点，但是其结构较为复杂，为了实现高效制冷通常需要对TEC的热端设计水冷处理模块，对冷端还要采取相应的保温措施，另外，为了对温度进行控制还需要配备专用的TEC控制模块；微通道冷却热沉【在先技术2：CN 1158549A,(2011)】具有换热系数大以及适合恶劣环境等突出优点，因此，在高功率半导体激光器层叠封装、高密度组装的电子设备冷却等领域获得了广泛的应用。

然而，无论是采用TEC冷却方案还是微通道热沉冷却方案，由于冷却模块和合束光栅模块是相互独立的，当将二者机械装配到一起后导致整个光谱合束光栅模块结构较为复杂、体积和重量大，这不符合光谱合束***小型化、轻量化要求。更糟糕的是，由于激光合束***中使用的光栅尺寸在百毫米以上，为了保证面形光栅基板厚度往往需要几十个毫米，而已有的实验也表明合束光栅温升主要在光栅表面区域，在此情况下，如果直接采用微通道热沉对合束光栅进行冷却，因合束光栅基板厚度较大、基板与热沉表面接触不良、光栅基板热导率有限等原因导致散热效果并不理想。因此，研究一种集成化的、高效主动换热合束光栅结构在高功率光谱合束激光领域具有重要的应用价值。据我们所知，没有人给出这种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法，实现了合束光栅和微通道结构的高度集成化，而且制备过程中由于采用了再抛光面形修正工艺，可以采用相对较薄的光栅基板实现较好的面形，因此，这使得整个冷却模块一体化、重量轻、换热效率高，十分有利于高功率光谱合束***的小型化、轻量化。

本发明的技术解决方案如下：

一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法，其特点在于，包括光栅结构层、光栅基板、微通道冷却层、共晶焊接层、导流层、密封板、冷却液入口和冷却液出口组成；

所述光栅结构层通过光刻工艺制备在所述光栅基板的上表面，所述光栅基板的后表面与所述微通道冷却层通过所述共晶焊接层焊接在一起，所述微通道冷却层与所述密封板通过所述共晶焊接层焊接在一起，所述密封板开有所述冷却液入口和所述冷却液出口。

所述光栅结构层为反射式，即入射光和衍射光在所述光栅结构层的同一侧。

所述的光栅结构层工作方式为反射式。

所述的光栅基板材料为石英、蓝宝石或碳化硅；所述的微通道冷却层材料为硅或碳化硅；所述的共晶焊接层材料为不同组份的金锡共晶焊料、金锗共晶焊料、金硅共晶焊料或银铜共晶焊料；所述的密封板材料为碳化硅、石英或氧化铝陶瓷。

所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法，其特点在于，所述的制备方法包括以下步骤：

①对所述光栅基板和所述密封板进行光学抛光加工，其中，所述光栅基板的焊接面要求平面度小于1微米，表面粗糙度小于1nm；所述高面型微通道密封部件的焊接面要求面形小于λ/10(λ＝0.6328微米)，表面粗糙度小于1nm；此外，还要在所述密封板上加工出所述的冷却液入口和冷却液出口；

②在双面抛光的硅或碳化硅衬底其中一面加工出所述的微通道冷却层，微通道的宽度、深度及间隔根据具体的冷却要求设计；

③将所述光栅基板、微通道冷却层和密封板的待焊接面依次镀镍、镀金进行金属化处理，然后利用所述的共晶焊接层在真空焊炉中将上述部件进行焊接集成并对其进行退火处理，释放高温焊接导致的应力；

④对焊接集成后的所述光栅基板的上表面进行再次光学抛光加工，改善其面形、表面光洁和表面粗糙度等指标，使其满足所述光栅结构层的制备需求；

⑤结合镀膜、涂胶、曝光、显影、刻蚀等光栅制备工艺最终完成所述光栅结构层的制备。

本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：

1.本发明把合束光栅和微通道冷却层直接通过焊接封装集成，利用同一模块实现了光栅光谱合束和冷却双重功能。

2.本发明通过采用高热导、低膨胀、高强度的共晶焊料进行焊接封装，并结合后续的再抛光面形修正工艺，在确保较薄光栅基板具有良好面形的同时，大大提升了基板的散热能力。

3.本发明由于将微通道冷却层直接焊接于光栅基板背面，相比于传统的采用独立的微通道热沉或TEC冷却模块对光栅进行装配冷却方案，具有结构体积小、重量轻、使用方便、稳定性/可靠性高等突出优点，十分有利于高功率光谱合束激光***的小型化和轻量化。

附图说明

图1是本发明高效主动换热光谱合束光栅集成化模块示意图

图2是本发明高效主动换热光谱合束光栅集成化装置总体示意图。

图3是本发明高效主动换热光谱合束光栅集成化模块与普通光谱合束光栅换热模块在相同冷却条件下，表面温度随吸收激光功率变化曲线。

图中：1-冷水箱；2-循环水泵；3-密封板；4-导流层；5-第一共晶焊接层；6-微通道冷却层；7-光栅结构层；8-光栅基板；9-入射光；10-衍射光；11-第二共晶焊接层。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是本发明高效主动换热光谱合束光栅集成化模块示意图，如图所示，一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，包括密封板3、导流层4、第一共晶焊接层5、微通道冷却层6、光栅基板8和第二共晶焊接层11；所述的光栅基板8的上表面具有光栅结构层7，该光栅基板8的后表面通过所述第一共晶焊接层5与所述微通道冷却层6相连，所述微通道冷却层6通过所述第二共晶焊接层11与所述导流层4相连，该导流层4与所述的密封板3相连，该密封板3开有冷却液入口和冷却液出口。所述的光栅结构层7通过光刻工艺制备在所述的光栅基板8的上表面，该光栅结构层7的工作方式为反射式，即入射光9和衍射光10在所述光栅结构层7的同一侧。

所述的光栅基板8材料为石英、蓝宝石或碳化硅；所述的微通道冷却层6材料为硅或碳化硅；所述的共晶焊接层5材料为不同组份的金锡共晶焊料、金锗共晶焊料、金硅共晶焊料或银铜共晶焊料；所述的密封板3材料为碳化硅、石英或氧化铝陶瓷。

图2是本发明高效主动换热光谱合束光栅集成化装置总体示意图，如图所示，所述的冷却液入口与冷却液出口分别通过管道与所述的冷水箱1相连，所述的冷水箱1和循环水泵2安装在一起作为冷却水源的提供装置，冷却水在所述的循环水泵2的驱动下经管道通过所述的密封板3的冷却液入口进入所述的导流层4经所述的第二共晶焊接层11、微通道冷却层6、第一共晶焊接层5与所述的光栅基板8进行热交换，然后冷却水经所述的冷却液出口、管道返回所述的冷水箱1。

在导流层4上还可以设置温度探头，用于测量在微通道冷却层6冷却液的实时温度，为水冷机控制冷却水温度提供反馈信号。

所述的光栅结构层7是由Ta2O5、HfO2、SiO2三种薄膜材料构成的周期为854.7nm反射式合束光栅结构。

所述的光栅基板8为厚度2mm的硅基板；所述的微通道冷却层6直接刻蚀在光栅基板8的背面，微通道宽度250微米、微通道槽深1毫米、微通道周期500微米。

所述的共晶焊接层5为广州先艺电子科技有限公司生产的Au80Sn20共晶焊片，规格50mm(长)*25mm(宽)*0.025mm(厚)，熔点280℃，导热率57W/m.K，热膨胀系数16*10^-6/℃，抗拉强度276Mpa。

所述的密封板3为碳化硅材料，规格50mm*50mm*5mm，面形小于λ/10(λ＝0.6328微米)，表面粗糙度0.6nm。

所述的冷却液入口和冷却液出口为在所述密封板3上直接加工的4×M5螺纹孔，其中2个作为冷却液入口，另外2个作为冷却液出口。

如图3所示为高效主动换热光谱合束光栅集成化模块与传统光谱合束光栅换热模块在不同吸收激光功率下的表面温度进行的实际测试结果，测试中使用的冷却液为十摄氏度去离子水，冷水机采用的是广州奥冷电子科技发展有限公司生产的ARC300冷水机，用于对合成光栅辐照加热的是南京来创激光科技有限公司生产的CWQ800功率可调的10.6微米波长激光器，光栅表面温度测量采用FLIR公司的A615固定安装式红外热像仪。从图3可以看出这种集成化的高效主动换热光谱合成光栅结构可以实现良好的冷却效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，包括密封板(3)、导流层(4)、第一共晶焊接层(5)、微通道冷却层(6)、光栅基板(8)和第二共晶焊接层(11)；

所述的光栅基板(8)的上表面具有光栅结构层(7)，该光栅基板(8)的后表面通过所述第一共晶焊接层(5)与所述微通道冷却层(6)相连，所述微通道冷却层(6)通过所述第二共晶焊接层(11)与所述导流层(4)相连，该导流层(4)与所述的密封板(3)相连，该密封板(3)开有冷却液入口和冷却液出口。

2.根据权利要求1所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，所述的光栅结构层(7)通过光刻工艺制备在所述的光栅基板(8)的上表面，该光栅结构层(7)的工作方式为反射式，即入射光(9)和衍射光(10)在所述光栅结构层(7)的同一侧。

3.根据权利要求1所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，所述的光栅基板(8)材料为石英、蓝宝石或碳化硅；所述的微通道冷却层(6)材料为硅或碳化硅；所述的共晶焊接层(5)材料为不同组份的金锡共晶焊料、金锗共晶焊料、金硅共晶焊料或银铜共晶焊料；所述的密封板(3)材料为碳化硅、石英或氧化铝陶瓷。

4.根据权利要求1所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，所述的冷却液入口与冷却液出口分别通过管道与所述的冷水箱(1)相连，所述的冷水箱(1)和循环水泵(2)安装在一起作为冷却水源的提供装置，冷却水在所述的循环水泵(2)的驱动下经管道通过所述的密封板(3)的冷却液入口进入所述的导流层(4)经所述的第二共晶焊接层(11)、微通道冷却层(6)、第一共晶焊接层(5)与所述的光栅基板(8)进行热交换，然后冷却水经所述的冷却液出口、管道返回所述的冷水箱(1)。

5.一种权利要求1-4任一所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①光学抛光处理：

对光栅基板(8)进行光学抛光，使焊接面平面度小于1微米，表面粗糙度小于1nm；

对导流层(4)进行光学抛光，使焊接面面形小于λ/10(λ＝0.6328微米)，表面粗糙度小于1nm；

②在所述密封板(3)上加工出冷却液入口和冷却液出口；

③加工微通道冷却层(6)，使微通道的宽度、深度及间隔满足冷却要求；

④将所述光栅基板(8)、微通道冷却层(6)和导流层(4)的待焊接面依次镀镍、镀金进行金属化处理，然后利用所述的第一共晶焊接层(5)和第二共晶焊接层(11)在真空焊炉中将上述部件进行焊接集成并对其进行退火处理，释放高温焊接导致的应力；

⑤对焊接集成后的所述光栅基板(8)的上表面进行再次光学抛光加工，改善其面形、表面光洁和表面粗糙度等指标，使其满足光栅结构层(7)的制备需求；

⑥通过镀膜、涂胶、曝光、显影和刻蚀完成所述光栅结构层(7)的制备。

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