CN115663574A - 一种碟片激光器的激光晶体热沉 - Google Patents

Abstract

本发明具体的涉及了一种碟片激光器的激光晶体热沉。本发明包括碟片激光器激光晶体、非金属热沉、晶体高反膜、高热导率金属；所述碟片激光器激光晶体的下表面通过高热导率金属连接非金属热沉，所述晶体高反膜镀制在碟片激光器激光晶体的下表面且位于碟片激光器激光晶体和高热导率金属之间；所述非金属热沉为金刚石热沉或碳化硅热沉。本发明还包括另一种结构的激光晶体热沉，其包括碟片激光器激光晶体、金刚石散热片、碳化硅热沉和高热导率金属；所述碟片激光器激光晶体的下表面通过高热导率金属与金刚石散热片的上表面连接，所述金刚石散热片的下表面通过高热导率金属与碳化硅热沉连接；所述碟片激光器激光晶体的下表面镀制有晶体高反膜。

Description

一种碟片激光器的激光晶体热沉

技术领域

本发明涉及一种激光晶体热沉，具体涉及一种碟片激光器的激光晶体热沉。

背景技术

自激光出现以来，国内外众多研究机构对激光技术进行持续深入的研究，其中固体激光器凭借其高输出功率、高光束质量等特点在脉冲输出和连续输出两个方向上均有重要应用。随着碟片激光器的出现，又将固体激光器的发展向前推进了一步，与传统棒状固体激光器相比，碟片激光器特有的优势很明显，其激光晶体较大的径厚比使得晶体径向热梯度可以忽略，仅存在轴向的一维热梯度，使得晶体在整个工作过程中散热效率得到极大提高，热透镜效应有效缓解、电光转换效率提高、出光亮度提高。

限制高功率碟片激光器的功率进一步提高的重要因素是激光晶体的废热管理。碟片激光器在高功率大能量输出时，随着输出功率的提升，晶体轴向温差会不断增加，最终发生由热应力导致的晶体物理损伤，通过热沉快速将晶体内部废热导出是当前极为高效和成熟的方式。所以在碟片激光器输出功率越来越高的情况下，激光晶体对热沉的要求也越来越高。

传统热沉的材料通常为铜、紫铜等，常用的热沉设计方法包括铜热沉、金刚石散热片结合铜热沉，但是这样的方法面临几个方面的问题。首先铜材料的热导率相对较低，由于人们对激光器更高功率输出的追求，激光晶体中废热的产生也越来越高，铜等金属材料作为热沉已经无法满足激光晶体越来越高散热需求。另一方面铜材料的硬度小，对于像YLF莫氏硬度在5左右的偏软的晶体，需要高硬度材料起到支撑晶体，减弱其形变的作用。最后铜等金属材料的热膨胀系数较大，在导热过程中，热沉的热应力形变对激光晶体会造成较大影响。

发明内容

为了克服现有碟片激光器激光晶体热沉存在的热交换效率低、材料硬度低以及现有材料热膨胀系数大导致热应力形变大的问题，本发明提供了一种碟片激光器的激光晶体热沉。

相比于金属材料，金刚石、碳化硅有着很多优势，其中以更高的热导率，更高的硬度，更低的热膨胀系数三点最为关键。以最常用的铜热沉为例，铜的热导率在400W/(m·K)左右，莫氏硬度是3，热膨胀系数是18×10^-6/K左右；而金刚石材料热导率1800-2000W/(m·K)，莫氏硬度是10，热膨胀系数是1×10^-6/K左右；碳化硅材料热导率490W/(m·K)，莫氏硬度是9.5，热膨胀系数是4.5×10^-6/K左右。可以看到金刚石和碳化硅材料不论是热导率、硬度还是热膨胀系数均有更优秀的数值，其中金刚石的参数更为优异，所以选用全金刚石或碳化硅材料制作热沉是很好的选择。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一种碟片激光器的激光晶体热沉，包括碟片激光器激光晶体，其特殊之处在于：还包括非金属热沉、晶体高反膜和高热导率金属；

所述非金属热沉通过高热导率金属与碟片激光器激光晶体的下表面连接，所述晶体高反膜镀制在碟片激光器激光晶体的下表面且位于碟片激光器激光晶体和高热导率金属之间；

晶体高反膜的反射波长范围涵盖碟片激光器激光晶体对应的泵浦光和信号光的波长；

所述非金属热沉为金刚石热沉或碳化硅热沉；所述金刚石热沉或碳化硅热沉固定在外部冷却***中。

进一步地，所述高热导率金属为铟金属。

进一步地，所述晶体高反膜的下表面还镀有金属膜，所述金属膜包括从上至下依次设置的金膜和铬膜。

进一步地，还包括热沉夹具，所述金刚石热沉或碳化硅热沉通过热沉夹具固定在外部冷却***中。

第二种碟片激光器的激光晶体热沉，包括碟片激光器激光晶体，其特殊之处在于：还包括金刚石散热片、碳化硅热沉和高热导率金属；

所述金刚石散热片的上表面通过高热导率金属与碟片激光器激光晶体的下表面连接，所述金刚石散热片的下表面通过高热导率金属与碳化硅热沉连接；

所述碟片激光器激光晶体的下表面镀制有晶体高反膜。

进一步地，所述高热导率金属为铟金属。

进一步地，所述晶体高反膜下表面还镀有金属膜，所述金属膜包括从上至下依次设置的金膜和铬膜。

进一步地，还包括热沉夹具，所述金刚石散热片和碳化硅热沉均位于热沉夹具中。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

1.本发明利用非金属材料中金刚石和碳化硅材料的高热导率，有效提高激光晶体与热沉之间的热交换效率高，提高晶体内部废热导出速度，降低热效应对晶体影响，提高了输出激光的光束质量。

2.本发明利用金刚石和碳化硅材料的高硬度，减轻晶体在工作过程中由于热效应发生的形变，提高输出激光的光束质量。

3.本发明利用金刚石和碳化硅材料稳定的物化性质，可以选择多种冷却工质如：水、液态金属、液氮等进行冷却，而不必担心热沉损坏。

附图说明

图1为本发明实施例一中碟片激光器的激光晶体热沉结构示意图；

图2为本发明实施例二中碟片激光器的激光晶体热沉结构示意图。

其中，附图标记具体如下：

1、碟片激光器激光晶体；2、热沉夹具；3、晶体高反膜；4、金属膜；5、铟金属；6、金刚石热沉；7、金刚石散热片；8、碳化硅热沉。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步阐释。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种碟片激光器的激光晶体热沉，包括碟片激光器激光晶体1、热沉夹具2、晶体高反膜3、金属膜4、铟金属5以及金刚石热沉6。碟片激光器激光晶体1的下表面依次设置有晶体高反膜3和金属膜4，其中晶体高反膜3的反射波长范围涵盖碟片激光器激光晶体1对应的泵浦光和信号光的波长，用于反射激光，金属膜4包括上下依次叠加的铬膜和金膜。镀膜后的碟片激光器激光晶体1下表面通过热导率高的铟金属5焊接连接金刚石热沉6，金刚石热沉6也可以替换为碳化硅热沉，金属膜4确保铟金属5和碟片激光器激光晶体1焊接稳定，使得两者之间没有缝隙。

金刚石热沉6放置于热沉夹具2中，并通过热沉夹具2固定在冷却***中，冷却***中的冷却工质包括但不限于：水、液态金属或液氮等。

该激光器在应用时，调节泵浦光和信号光入射激光晶体1中，后被晶体底部高反膜反射，再经过激光晶体1出射。热量由泵浦光和信号光照射产生，热量被金刚石(或碳化硅)热沉6快速导出，冷却工质从底部流向金刚石(或碳化硅)热沉6进行热交换，吸收金刚石热沉6的热量，实现激光晶体1散热。

实施例二

如图2所示，本发明还提供一种碟片激光器的激光晶体热沉，包括碟片激光器激光晶体1、金刚石散热片7、碳化硅热沉8、晶体高反膜3、金属膜4、铟金属5。碟片激光器激光晶体1的下表面依次设置有晶体高反膜3和金属膜4，镀膜后的碟片激光器激光晶体1下表面通过热导率高的铟金属5焊接连接金刚石散热片7，金刚石散热片7下表面通过铟金属5焊接连接碳化硅热沉8。

金刚石散热片7和碳化硅热沉8均位于热沉夹具2中，并通过热沉夹具2固定在冷却***中，冷却***中的冷却工质包括但不限于：水、液态金属或液氮等。

该激光器在应用时，调节泵浦光和信号光入射激光晶体1中，后被晶体底部高反膜反射，再经过激光晶体1出射。热量由泵浦光和信号光照射产生，热量被金刚石散热片6快速导出，进一步热量从金刚石散热片6向碳化硅热沉8传递，冷却工质从底部流向碳化硅热沉8进行热交换，吸收碳化硅热沉8的热量，实现激光晶体1散热。

其余技术特征和实施例一相同。

针对上述激光器，热传导的公式如下：

Q＝ΔT·γ·S/L

其中Q为热量，ΔT为温差，γ为热导率，S为面积，L为厚度。

从上式看出，在厚度、面积以及温差不变的情况下，热导率的提升直接反映在单位时间热传导的热量上，金刚石和碳化硅相比于铜的金属材料，热导率有明显提升，即导热性能也更加的优秀。

Claims (8)

1.一种碟片激光器的激光晶体热沉，包括碟片激光器激光晶体(1)，其特征在于：还包括非金属热沉、晶体高反膜(3)和高热导率金属；

所述非金属热沉通过高热导率金属与碟片激光器激光晶体(1)的下表面连接，所述晶体高反膜(3)镀制在碟片激光器激光晶体(1)的下表面且位于碟片激光器激光晶体(1)和高热导率金属之间；

晶体高反膜(3)的反射波长范围涵盖碟片激光器激光晶体(1)对应的泵浦光和信号光的波长；

所述非金属热沉为金刚石热沉(6)或碳化硅热沉(8)；所述金刚石热沉(6)或碳化硅热沉(8)固定在外部冷却***中。

2.根据权利要求1所述的一种碟片激光器的激光晶体热沉，其特征在于：所述高热导率金属为铟金属(5)。

3.根据权利要求2所述的一种碟片激光器的激光晶体热沉，其特征在于：所述晶体高反膜(3)的下表面还镀有金属膜(4)，所述金属膜(4)包括从上至下依次设置的金膜和铬膜。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种碟片激光器的激光晶体热沉，其特征在于：还包括热沉夹具(2)，所述金刚石热沉(6)或碳化硅热沉(8)通过热沉夹具(2)固定在外部冷却***中。

5.一种碟片激光器的激光晶体热沉，包括碟片激光器激光晶体(1)，其特征在于：还包括金刚石散热片(7)、碳化硅热沉(8)和高热导率金属；

所述金刚石散热片(7)的上表面通过高热导率金属与碟片激光器激光晶体(1)的下表面连接，所述金刚石散热片(7)的下表面通过高热导率金属与碳化硅热沉(8)连接；

所述碟片激光器激光晶体(1)的下表面镀制有晶体高反膜(3)。

6.根据权利要求5所述的一种碟片激光器的激光晶体热沉，其特征在于：所述高热导率金属为铟金属(5)。

7.根据权利要求6所述的一种碟片激光器的激光晶体热沉，其特征在于：所述晶体高反膜(3)下表面还镀有金属膜(4)，所述金属膜(4)包括从上至下依次设置的金膜和铬膜。

8.根据权利要求5-7任一所述的一种碟片激光器的激光晶体热沉，其特征在于：还包括热沉夹具(2)，所述金刚石散热片(7)和碳化硅热沉(8)均位于热沉夹具(2)中。

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