CN101174753A - 激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光二极管端面泵浦固体激光器散热方法，特别是激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，它至少包括构成激光二极管端泵固体激光器的晶体棒(3)、包裹晶体棒(3)的铟皮(4)和铜热沉(1)，其特征是：晶体棒(3)靠近泵浦源一端套接有碳化硅金刚石块(2)，用于传导晶体棒(3)靠近泵浦源一端的热量到冷源进行吸收。它可以提高晶体端头散热效率，提高激光二极管端泵固体激光器输出功率。

Description

激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法
技术领域
本发明涉及激光二极管端面泵浦固体激光器散热方法，特别是激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法。
背景技术
对于激光二极管端面泵浦固体激光器，泵浦光空间分布以及晶体对泵浦光轴向的吸收，引发端面形变、热应力双折射和热透镜效应，其中端面形变、热应力的存在，使得高功率泵浦时，晶体表面产生形变并有可能损坏，限制了泵浦功率的有效注入以及输出激光功率的提高。因此，如何合理的设计散热系统对于固体激光器至关重要。
在激光二极管端面泵浦固体激光器中，激光介质的吸收系数为α(mm-1)，则泵浦光Il在介质内经过一段距离l后，衰减为Ile-αl，即被介质吸收的光能为ΔI＝Il(1-e-αl)。掺杂1％的Nd:YAG晶体吸收长度大约为2mm，即在距离晶体泵浦端2mm处，入射光强衰减为原来的1/e，入射光大约78％能量在距离晶体泵浦端0～3mm的范围内被吸收，导致晶体端头附近的温度迅速升高。
现在激光二极管端面泵浦固体激光器多数采用铜热沉直接夹持激光晶体棒，铜热沉中通水或者外侧加半导体制冷器，以此达到降低激光晶体温度的目的，铜的导热率386(W/m·K)，Nd:YAG晶体的导热率14(W/m·K)，虽然可以较有效的降低晶体的温度，但是对于端头附近需要重点冷却的区域散热效果并不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，以便提高晶体端头散热效率，提高激光二极管端泵固体激光器输出功率。
本发明的目的是这样实现的，设计一种激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，它至少包括构成激光二极管端泵固体激光器的晶体棒3、包裹晶体棒3的铟皮4和铜热沉1，其特征是：晶体棒3靠近泵浦源一端套接有碳化硅金刚石块2，用于传导晶体棒3靠近泵浦源一端的热量到冷源进行吸收。
所述的晶体棒3与碳化硅金刚石块2由上下两块铜热沉1夹持固定。
所述的碳化硅金刚石块2是由两块对称的半圆环体构成，两块半圆环体凹面相对合并构成一中空的圆柱体。
所述的晶体棒3的尺寸是φ2×10mm。
所述的碳化硅金刚石块2的套接位置在距离晶体泵浦端面至0-3mm范围内。
所述晶体棒3和碳化硅金刚石块2与上下夹持的两块铜热沉1之间有铟皮4。
所述的铟皮4厚度δ＜0.1mm。
所述的中空圆柱体内径为φ2mm，外径为φ10mm，长度为3mm。
所述的晶体棒3采用Nd:YAG。
本发明由于在激光二极管端泵固体激光器中的晶体棒靠近泵浦源一端套接碳化硅金刚石块，同时晶体棒与碳化硅金刚石块由上下铜热沉夹持固定，使Nd:YAG晶体棒端面附近产生的热量迅速被碳化硅金刚石导走。如晶体棒的尺寸是φ2×10mm，原始结构中激光介质与铜热沉接触的表面积约为62.8mm2。如果加入内径φ2mm，外径φ10mm，长度3mm的碳化硅金刚石，则晶体和金刚石块构成的整体与铜热沉接触的表面积约为213.6mm2，与铜热沉的接触面积扩大，将降低晶体内部热耗的散热密度，提高晶体端头散热效率。控制晶体温度，减小热效应的影响，使激光器输出功率增大。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是图1中铜热沉结构示意图；
图3是图1中碳化硅金刚石2与Nd:YAG晶体棒3组装图；
图4是图3的左视图；
图5是实施例整体结构尺寸图，尺寸的单位是毫米。
图中：1、铜热沉；2、碳化硅金刚石块；3、晶体棒；4、铟皮。
具体实施方式
如图1所示，激光二极管端泵固体激光器中的晶体棒3靠近泵浦源一端套接有碳化硅金刚石块2，晶体棒3采用Nd:YAG，Nd:YAG晶体棒3和碳化硅金刚石块2外圆包裹铟皮4由上下铜热沉1夹持固定。由上下铜热沉1将晶体棒3的热量传导给冷源如半导体制冷器吸收。由于碳化硅金刚石块2的导热率是600(W/m·K)，高于Nd:YAG和铜。因此，Nd:YAG晶体棒3端面3mm内产生的热量将会迅速被碳化硅金刚石块2导走。此外，原先φ2×10mm激光介质的表面积约为62.8mm2，如果加入内径φ2mm，外径φ10mm，长度3mm的碳化硅金刚石块2，铜热沉1接触的表面积约为213.6mm2，与热沉的接触面积扩大，将进一步降低晶体内部热耗的散热密度，提高散热效率。
如图2所示，上下铜热沉1采用方型对称结构，上下铜热沉1结合面有与Nd:YAG晶体棒3与碳化硅金刚石块2相同外形的腔体，腔体的大小包括Nd:YAG晶体棒3和碳化硅金刚石块2外圆包裹铟皮4的空间。
图3是碳化硅金刚石块2与Nd:YAG晶体棒3组装图。受到现有加工条件的限制，碳化硅金刚石块2要达到晶体棒3的长度费用太高，对于我们使用的激光介质而言，入射光大约78％能量在距离晶体端面0～3mm的范围内被吸收，因此碳化硅金刚石块2长选取3mm，套接在距离晶体泵浦端面开始的3mm处。为了使碳化硅金刚石块2与上下夹持的两块铜热沉1之间接触良好，碳化硅金刚石块2和Nd:YAG晶体棒3外圈包裹铟皮4后由上下两块铜热1沉夹持，选取铟皮4厚度＜0.1mm。
如图4所示，碳化硅金刚石块2是具有一定长度的半圆环体，两块半圆环体凹面相对合并形成中空的圆柱体。
图5是套接碳化硅金刚石块2和晶体棒3尺寸说明图，碳化硅金刚石块2整体尺寸为内径φ2mm，外径φ10mm，长度3mm；晶体棒3的尺寸是φ2×10mm。
总体上讲，本发明具有的特点之一是提高了激光介质端头附近散热效率，碳化硅金刚石块2的导热率远高于Nd:YAG，能够迅速的带走晶体端头附近产生的热量。特点之二是提高了与铜热沉1的接触面积，降低激光介质热耗的散热密度。
对于图1的安装可通过如下步骤完成：
实施步骤1：在Nd:YAG晶体棒3包铟皮4厚度δ＜0.1mm。
实施步骤2：将两块半环形碳化硅金刚石块2与Nd:YAG晶体棒3泵浦端面对齐，将碳化硅金刚石块2紧扣在Nd:YAG晶体棒3的端头0～3mm处，并在碳化硅金刚石块2合成的柱面外侧包铟皮4厚度δ＜0.1mm。
实施步骤3：在整体外面对称的加两块铜热沉1，并且固定。

Claims (9)

1.激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，它至少包括构成激光二极管端泵固体激光器的晶体棒(3)、包裹晶体棒(3)的铟皮(4)和铜热沉(1)，其特征是：晶体棒(3)靠近泵浦源一端套接有碳化硅金刚石块(2)，用于传导晶体棒(3)靠近泵浦源一端的热量到冷源进行吸收。
2.根据权利要求1所述的激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，其特征是：所述的晶体棒(3)与碳化硅金刚石块(2)由上下两块铜热沉(1)夹持固定。
3.根据权利要求1所述的激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，其特征是：所述的碳化硅金刚石块(2)是由两块对称的半圆环体构成，两块半圆环体凹面相对合并构成一中空的圆柱体。
4.根据权利要求1所述的激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，其特征是：所述的晶体棒(3)的尺寸是φ2×10mm。
5.根据权利要求1所述的激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，其特征是：所述的碳化硅金刚石块(2)的套接位置在距离晶体泵浦端面至0-3mm范围内。
6.根据权利要求1所述的激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，其特征是：所述晶体棒(3)和碳化硅金刚石块(2)与上下夹持的两块铜热沉(1)之间有铟皮(4)。
7.根据权利要求1所述的激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，其特征是：所述的铟皮(4)厚度δ＜0.1mm。
8.根据权利要求3所述的激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，其特征是：所述的中空圆柱体内径为φ2mm，外径为φ10mm，长度为3mm。
9.根据权利要求1所述的激光二极管端泵固体激光器中晶体端头散热方法，其特征是：所述的晶体棒(3)采用Nd:YAG。
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