CN112490828A - 激光晶体集成模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光晶体集成模组，包括：激光晶体，其具有上表面和下表面；上散热机构，设置于所述激光晶体的上表面；下散热机构，设置于所述激光晶体的下表面；其中，所述上、下散热机构均为双层斗状机构，包括：外斗和内斗；所述外斗朝向激光晶体的一侧无顶面，其外缘直接焊接于激光晶体的外边缘；所述内斗朝向激光晶体的顶面上开设射流孔阵列，内斗和外斗在远离激光晶体的一侧共用底面；在该底面上内斗对于的区域开设进水口，在内斗和外斗之间的区域开设出水口。本发明大大提升了激光晶体的集成化水平，提高了散热均匀性，有利于抑制晶体的自发辐射效应，提升激光输出质量。

Description

激光晶体集成模组
技术领域
本发明涉及激光行业的激光晶体散热、保护领域，尤其涉及一种激光晶体集成模组。
背景技术
激光晶体是可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料，是晶体激光器的工作物质。激光晶体需要高功率的泵浦能量，泵浦能量不能转化为激光的部分会产生大量的热。散热效率的高低和均匀性直接影响激光晶体的形变和应力变化。
在实现本发明的过程中，申请人发现传统技术中激光晶体模组对激光晶体的散热不均，影响到激光输出的质量，导致激光输出光斑畸变和退偏。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明以期至少部分地解决以上技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
本发明提供了一种激光晶体模组，包括：激光晶体，其具有上表面和下表面；上散热机构，设置于激光晶体的上表面；下散热机构，设置于激光晶体的下表面；其中，上、下散热机构均为双层斗状机构，包括：外斗和内斗；外斗朝向激光晶体的一侧无顶面，其外缘直接焊接于激光晶体的外边缘；内斗朝向激光晶体的顶面上开设射流孔阵列，内斗和外斗在远离激光晶体的一侧共用底面；在该底面上内斗对于的区域开设进水口，在内斗和外斗之间的区域开设出水口。
在本发明的一些实施例中，射流孔阵列中，沿激光晶体中激光传输的方向，靠近中间区域的射流孔密度大于两侧射流孔的密度。
在本发明的一些实施例中，上、下散热机构在水平面上的投影覆盖了激光晶体在水平面的投影。
在本发明的一些实施例中，激光晶体为长方体形状；上、下散热机构的外轮廓呈棱台形状，其纵切面呈等腰梯形，梯形的短边侧为与激光晶体焊接的一侧。
在本发明的一些实施例中，还包括：规整及保护结构，其设置于上、下散热机构的***，以将激光晶体集成模组的形状规整化。
在本发明的一些实施例中，规整及保护结构的材料为塑料或橡胶。
在本发明的一些实施例中，规整化后的激光晶体集成模组的形状为以下之一：长方体、圆柱、圆台、棱台。
在本发明的一些实施例中，激光晶体的上表面和下表面加工有肋状结构阵列，且沿激光晶体中激光传输的方向，中间区域的肋状结构的密度大于两侧区域的肋状结构的密度。
在本发明的一些实施例中，肋状结构为肋柱或肋片，其中：肋状结构是肋柱时，肋柱的高度介于200μm～1000μm之间，相邻肋柱的间距介于0.3mm～0.8mm之间，肋柱是圆形、方形柱或椭圆柱；肋状结构是肋片时，肋片的高度介于200μm～1000μm之间，厚度介于100μm～200μm之间，宽度介于200μm～1000μm之间，间距介于0.3mm～0.8mm之间。
在本发明的一些实施例中，激光晶体的形状是以下一种：长方体状、板条状或片状；激光晶体的材料是以下一种：Nd：YAG、Yb：YAG、Yb：Lu2O3、Nd：YVO4、Nd：GdVO4、Nd：YLF、Yb：Er：Glass。
(三)有益效果
从上述技术方案可知，本发明至少具有以下有益效果其中之一：
(1)在激光晶体的上表面和下表面同时集成散热机构，能够同时对激光晶体的上表面和下表面散热，防止激光晶体出现纵向温度梯度而影响激光输出质量。
(2)散热机构呈双层斗状结构，外斗朝向激光晶体一侧的外缘直接焊接于激光晶体的外边缘，内斗朝向激光晶体的顶面上开设有射流孔阵列，采用内斗进水、外斗出水的循环方式，由于内斗顶面朝向激光晶体的中间区域，而外斗对应激光晶体的***区域，从而提升了激光晶体中间区域的散热能力，达到整个激光晶体的散热均匀，防止激光晶体出现横向温度梯度而影响激光输出质量。
(3)对于内斗顶面的射流孔阵列，射流孔的尺寸相同，靠近中间区域的射流孔密度大于两侧射流孔的密度。
(4)上、下散热机构远离激光晶体的一侧均水平向外延伸，两者在水平面上的投影覆盖了激光晶体在水平面的投影，从而在对激光晶体进行散热的同时，可以对激光晶体进行物理保护。
(5)散热机构呈棱台或圆台形状，该棱台或圆台的面积较小的顶面朝向激光晶体一侧，其一方面实现了对激光晶体的保护，另一方面还可以增加射流孔处的水压，增加水流喷射的速度，从而提升散热的效果。
(6)在散热机构的***，除棱台或圆台的面积较大的底面之外的其他面，通过填充塑料材料实现集成模组形状的规整化，整体呈圆柱状或长方体形状，这首先方便了安装与运输；其次，填充的塑料材料有一定的弹性，可以对激光晶体和散热机构产生保护作用；最后，填充的塑料材料还可以防止散热机构露液。
(7)在激光晶体的上表面和/或下表面加工有肋柱或肋片阵列，该肋柱或者肋片可以增加激光晶体与冷却液的接触面积，提高散热效率，此外还有利于抑制晶体的自发辐射效应，提高晶体转换效率。
(8)肋柱和肋片并非是均匀加工在激光晶体的表面。而是沿激光晶体中激光传输的方向，中间区域的肋柱密度大于两侧区域的肋柱密度，从而有利于中间区域热量的散发。
附图说明
图1A、图1B、图1C分别为本发明第一实施例激光晶体集成模组的主视面剖视图、左视面剖视图、俯视图。
图2A和图2B分别为本发明第一实施例激光晶体集成模组中激光晶体的主视图和俯视图。
图3A和图3B分别为本发明其他实施例中加工有方柱形肋柱的激光晶体的主视图和俯视图。
图4A、图4B分别为本发明第一实施例激光晶体集成模组的主视面剖视图、左视面剖视图。
【附图中主要元件符号说明】
100-激光晶体；
110-肋柱阵列；
200-上散热机构；
210-外斗；211-出水口；
220-内斗；221-进水口；222-射流孔阵列；
300-下散热机构；
400-规整及保护结构。
具体实施方式
本发明的发明构思在于：在激光晶体的上、下表面均集成了双层斗状的散热机构，达到整个激光晶体的散热均匀，防止出现纵向和横向的温度梯度，保证了激光输出质量。同时，利用散热机构实现对激光晶体的物理保护。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一、第一实施例
本实施例中，在激光晶体的上、下表面焊接了双层斗状的散热机构，以达到整个激光晶体的散热均匀的目的。
图1A、图1B、图1C分别为本发明第一实施例激光晶体集成模组的主视面剖视图、左视面剖视图、俯视图。
如图1A、图1B、图1C所示，本实施例激光晶体集成模组包括：激光晶体100，其具有上表面和下表面；上散热机构200，其下侧与激光晶体的上表面焊接；下散热机构300，其上侧与激光晶体的下表面焊接。上散热机构和下散热机构在对激光晶体进行散热的同时，还可以对激光晶体进行保护。
1、激光晶体
本发明中，激光晶体的材料可以是以下一种：Nd：YAG、Yb：YAG、Yb：Lu2O3、Nd：YVO4、Nd：GdVO4、Nd：YLF、Yb：Er：Glass等，其形状可以是以下一种：长方体状、板条状或片状等。本实施例中，激光晶体为板条状的Nd：YAG晶体。
图2A和图2B分别为本发明第一实施例激光晶体集成模组中激光晶体的主视图和俯视图。请参照图1、图2A、图2B所示，在激光晶体的上表面和下表面，加工有肋柱阵列110。肋柱的形状为圆柱，高度为400μm，相邻肋柱的距离大于3mm。
需要特别说明的是，在肋柱阵列中，沿激光晶体中激光传输的方向，中间区域的肋柱密度大于两端区域的肋柱密度。如图2A和2B所示，肋柱阵列分为5个区域。其中，中间区域ZM的肋柱密度最大，两侧的ZL1和ZR1的肋柱密度次之，最外侧的ZL2和ZR2的肋柱密度最小。
关于肋柱阵列，本发明还可以采用其他的变形方式：
(1)肋柱的形状和尺寸
除了圆柱之外，肋柱的形状还可以是：方形柱、椭圆柱等形状。图3A和图3B分别为本发明其他实施例中加工有方柱形肋柱的激光晶体的主视图和俯视图。
考虑到冷却液的散热效果，肋柱的高度介于200μm～1000μm之间，相邻肋柱的间距介于0.3mm～0.8mm之间。
(2)除了肋柱之外，还可以是：肋片结构
如果是肋片的话，肋片的高度介于200μm～1000μm之间，厚度介于100μm～200μm之间，宽度介于200μm～1000μm之间，间距介于0.3mm～0.8mm之间。
(3)对于上、下表面呈圆形的激光晶体
对于截面呈圆形的激光晶体，中心区域的肋柱(或肋条)密度大于***区域。
在激光晶体上加工肋柱、肋片等结构具有以下效果：(1)有利于抑制晶体的自发辐射效应，提高晶体转换效率；(2)相比于通过热沉散热，利用自身表面结构的肋柱、肋片等结构散热更加直接，还可以避免由于激光晶体和热沉结合不够贴合而导致的散热不均，进而导致激光晶体局部过热而损坏的事故；(3)肋柱或者肋片均是单个分立的，其相对于连续的散热结构，表面接触面积大，晶体热量与冷却液交换充分，具有散热效率高，散热速度快的优势。
此外，在工程实践中，申请人发现，相比于两侧区域，激光晶体中间区域的热量散发更为不易，温度也是最高，激光晶体的损坏和失效绝大多数情况下也是有中间区域的温度过高所导致。因此，在本发明中，肋柱和肋片并非是均匀加工在激光晶体的表面。而是沿激光晶体中激光传输的方向，中间区域的肋柱密度大于两侧区域的肋柱密度，从而有利于中间区域热量的散发。并且，采用肋柱密度变化而非肋柱尺寸的变化，可以避免由于肋柱过细、过薄而导致的强度低，易于损害的问题。
2、散热机构
本实施例中，在激光晶体的上、下表面同时集成散热机构，能够同时对激光晶体的上表面和下表面散热，防止激光晶体出现纵向温度梯度而影响激光输出质量。
由于上、下的散热机构(200、300)仅是位置不同，在结构上相差不大，故在下文中将对上散热机构的结构进行说明，本领域技术人员可据此推知下散热机构的结构。
请参照图1A、图1B和图1C，散热机构200为双层斗状机构，包括：外斗210和内斗220。外斗朝向激光晶体的一侧无顶面，其外缘直接焊接于激光晶体的外边缘，内斗朝向激光晶体的顶面上开设射流孔阵列222，内斗和外斗在远离激光晶体的一侧共用底面。在该底面上内斗对于的区域开设进水口221，在内斗和外斗之间的区域开设出水口211。在实际工作中，冷却水从进水口221进入，在水压的作用下，从射流孔阵列222的射流孔射出，喷射至激光晶体的肋柱或者肋片上，将激光晶体的热量带出，从出水口211排出。
本发明中，射流冲击表面冷却散热是指通过喷射孔或狭缝高速冲击到加热表面上进行换热冷却，因高速流体直接冲击加热表面，流程短且在被冲击表面上形成的边界层很薄，故能产生极强的对流换热效应而实现高热流密度热量排散。
本实施例中，采用双层斗状结构的散热机构具有诸多优点。首先，能够增加射流孔处的水压，散热机构为双层斗状机构，即进水口一侧的底面的截面积大于靠近激光晶体一侧的顶面的面积，这可以增加射流孔处的水压，增加水流喷射的速度，从而提升散热的效果。其次，双层斗状结构的散热机构能够对激光晶体进行物理保护，散热机构为双层斗状机构，散热机构远离激光晶体的一侧均水平向外延伸，两者在水平面上的投影覆盖了激光晶体在水平面的投影，从而在对激光晶体进行散热的同时，可以对激光晶体进行物理保护。具体地，请参照图1A、图1B、图1C，激光晶体呈长方体形状，上、下散热机构的外轮廓呈棱台形状。其纵切面呈等腰梯形，梯形的短边侧为与激光晶体焊接的一侧。在这种情况下，上、下散热机构将激光晶体夹在中间，外界无法触碰到激光晶体，从而起到对激光晶体的保护作用。
请参照图1A和图2A、图2B，本实施例中，在射流孔阵列，射流孔并非是均匀排列，沿激光晶体中激光传输的方向，靠近中间区域的射流孔密度大于两侧射流孔的密度。由散热理论可知，当温度梯度方向与流场方向的协同程度越好，传热效率越高。在工程实践中，申请人发现，相比于两侧区域，激光晶体中间区域的热量散发更为不易，温度也是最高。通过将近中间区域的射流孔密度大于两侧射流孔的密度，可以达到射流孔垂直冲击加热面时具有最佳的协同度，达到较好的换热效率。实验证明，在射流孔为直径2mm的圆孔的情况下，冲击射流冷却可以达到了2000W/cm2的超高热流密度。
可以理解的是，为了增加射流的强度，同时保证射流的方向不偏离预设的方向，可以在射流孔上安装喷嘴。关于喷嘴，可参照现有技术的相关说明，此处不再赘述。
此外，本领域技术人员应当清楚，在本发明的其他一些实施例中，冷却液还可以采用乙二醇、酒精或者其他低沸点液体。射流孔的形状，除了圆孔之外，还可以是三角形孔、方孔等，其水力直径介于1mm～5mm之间。除此之外，射流孔还可以用射流缝来代替。
还需要说明的是，虽然本实施例中上、下散热结构对称设置，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，上、下散热结构也可以非对称设置，典型的情况是下散热结构的体积大于上散热结构的体积。
至此，本发明第一实施例激光晶体集成模组介绍完毕。
二、第二实施例
本实施例在第一实施例的基础上，将双层斗状的散热机构通过材料的填充形成规整的长方体、圆柱、棱柱、圆台、棱台等形状，在提高激光晶体集成模组便携性的同时，增强了了其自身的强度，且能够防止散热机构漏液。
以下专门针对本实施例中规整化散热机构的相关内容进行详细说明。而第一实施例中激光晶体、散热机构等内容则全部并入本实施例中，在本实施例正文中不再重述。
图4A、图4B分别为本发明第一实施例激光晶体集成模组的主视面剖视图、左视面剖视图。请参照图4A和图4B，在散热机构的***，封装有规整及保护结构400，从而将激光晶体集成模块规整为长方体形状，方便了安装与运输。
规整及保护结构除了塑料之外，还可以是橡胶。选择塑料和橡胶的原因有二：首先，塑料和橡胶有弹性，能够对激光晶体和散热机构进行保护；其次，塑料和橡胶与散热机构有较好的结合性，能够防止散热机构漏水。
本领域技术人员应当清楚，规整化之后的形状以激光晶体和散热机构的形状确定，对于长方体形状和双层棱台形斗状的散热机构，规整化后的形状优选为长方体。对于片状和双层圆台形斗状的散热机构，规整化后的形状优选为圆柱。
至此，本发明第二实施例激光晶体集成模组介绍完毕。
需要说明的是，对于某些实现方式，如果其并非本发明的关键内容，且为所属技术领域中普通技术人员所熟知，则在附图或说明书正文中并未对其进行详细说明，此时可参照相关现有技术进行理解。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，此处不再详细说明。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明激光晶体集成模组有了清楚的认识。
综上所述，本发明采用激光晶体上制作各种形状和尺寸的肋柱和肋片结构，同时采用双层斗状的散热机构，用多孔射流冲击表面散热，并且利用封装材料对散热机构进行固定，大大提升了激光晶体的集成化水平，提高了散热均匀性，有利于抑制晶体的自发辐射效应，提升激光输出质量。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
除非明确指明为相反之意，本发明的说明书及权利要求中的数值参数可以是近似值，能够根据通过本发明的内容改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”、“主”、“次”，以及***数字、字母等，以修饰相应的元件或步骤，其本意仅用来使具有某命名的一元件(或步骤)得以和另一具有相同命名的元件(或步骤)能做出清楚区分，并不意味着该元件(或步骤)有任何的序数，也不代表某一元件(或步骤)与另一元件(或步骤)的顺序。
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 (10)

1.一种激光晶体集成模组，其特征在于，包括：
激光晶体，其具有上表面和下表面；
上散热机构，设置于所述激光晶体的上表面；
下散热机构，设置于所述激光晶体的下表面；
其中，所述上、下散热机构均为双层斗状机构，包括：外斗和内斗；所述外斗朝向激光晶体的一侧无顶面，其外缘直接焊接于激光晶体的外边缘；所述内斗朝向激光晶体的顶面上开设射流孔阵列，内斗和外斗在远离激光晶体的一侧共用底面；在该底面上内斗对于的区域开设进水口，在内斗和外斗之间的区域开设出水口。
2.根据权利要求1所述的激光晶体集成模组，其特征在于，所述射流孔阵列中，沿激光晶体中激光传输的方向，靠近中间区域的射流孔密度大于两侧射流孔的密度。
3.根据权利要求1所述的激光晶体集成模组，其特征在于，所述上、下散热机构在水平面上的投影覆盖了激光晶体在水平面的投影。
4.根据权利要求3所述的激光晶体集成模组，其特征在于，所述激光晶体为长方体形状；
所述上、下散热机构的外轮廓呈棱台形状，其纵切面呈等腰梯形，梯形的短边侧为与激光晶体焊接的一侧。
5.根据权利要求1所述的激光晶体集成模组，其特征在于，还包括：
规整及保护结构，其设置于所述上、下散热机构的***，以将所述激光晶体集成模组的形状规整化。
6.根据权利要求5所述的激光晶体集成模组，其特征在于，所述规整及保护结构的材料为塑料或橡胶。
7.根据权利要求5所述的激光晶体集成模组，其特征在于，规整化后的激光晶体集成模组的形状为以下之一：长方体、圆柱、圆台、棱台。
8.根据权利要求1所述的激光晶体集成模组，其特征在于，所述激光晶体的上表面和下表面加工有肋状结构阵列，且沿激光晶体中激光传输的方向，中间区域的肋状结构的密度大于两侧区域的肋状结构的密度。
9.根据权利要求8所述的激光晶体集成模组，其特征在于，所述肋状结构为肋柱或肋片，其中：
所述肋状结构是肋柱时，肋柱的高度介于200μm～1000μm之间，相邻肋柱的间距介于0.3mm～0.8mm之间，肋柱是圆形、方形柱或椭圆柱；
所述肋状结构是肋片时，肋片的高度介于200μm～1000μm之间，厚度介于100μm～200μm之间，宽度介于200μm～1000μm之间，间距介于0.3mm～0.8mm之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的激光晶体集成模组，其特征在于：
所述激光晶体的形状是以下一种：长方体状、板条状或片状；
所述激光晶体的材料是以下一种：Nd：YAG、Yb：YAG、Yb：Lu2O3、Nd：YVO4、Nd：GdVO4、Nd：YLF、Yb：Er：Glass。
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