CN101562309B - 半导体激光单管组合侧面泵浦固体激光器的激光增益模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体激光单管组合侧面泵浦固体激光器的激光增益模块，包括：散热装置、棒状激光晶体、反射腔、单管激光二极管、整形透镜；其中，所述的散热装置包括上热沉、下热沉、热电制冷片以及散热器；将所述棒状激光晶体安放在所述下热沉的凸起的凹槽内，所述反射腔安放在所述凸起上并将所述棒状激光晶体套在其内；在所述散热装置内的正多边形通孔的各条边上安装所述的单管激光二极管，使得所述单管激光二极管围绕所述反射腔按顺序排布，各个二极管的出光方向正对棒状激光晶体；在所述单管激光二极管的出光方向上安装有用于均匀泵浦激光的整形透镜。本发明结构简单、散热效率高，便于使用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光单管组合侧面泵浦固体激光器，特别涉及用于该激光器上的激光增益模块。
背景技术
激光增益模块一般用于泵浦固体激光器。在大功率激光增益模块中，泵浦源在提供所需要泵浦光的同时，还会产生一部分废热；而泵浦光在泵浦过程中除了一部分能量用于有效泵浦，产生激光辐射外，也会产生大量废热，影响到激光输出功率和光束质量。因此，必须对激光增益模块进行制冷。由于现有技术中的大部分激光增益模块采用半导体激光二极管阵列(Laser Diode Array，以下简称LDA)作为泵浦源，其中的LDA一般由多个激光条(bar)串联而成，每个激光条又由多个发光单元集成，此种类型的LDA具有结构复杂、出光率低、散热性差的缺点，因此对于包含有LDA的激光增益模块需要采用水冷方式散发激光增益模块的热量。当采用水冷方式散热时，激光增益模块上的散热装置通常需要配备水箱或者水泵，因而具有结构繁杂、使用不便的缺陷。
随着单管激光二极管功率的提高，本领域技术人员开始在激光增益模块中将单管激光二极管作为泵浦源。单管激光二极管具有结构简单、出光效率高、易于制冷的优点，所产生的废热要远小于LDA。即使将多个单管激光二极管组合起来，所产生的废热也比同等功率的LDA要小。现有技术中，以单管激光二极管作为泵浦源的激光增益模块通常沿用了给LDA制冷的水冷方式。考虑到单管激光二极管高效率、易于制冷的优点，以及采用水冷方式的散热装置结构繁杂、使用不便的缺陷，可以在采用单管激光二极管的激光增益模块中抛弃水冷的制冷方式，采用利用风冷方式进行散热的相关散热装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有单管激光二极管的激光增益模块中的散热装置结构复杂、使用不便的缺陷，从而提供一种结构相对简单的散热装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种半导体激光单管组合侧面泵浦固体激光器的激光增益模块，包括：散热装置、棒状激光晶体、反射腔、单管激光二极管、整形透镜；其中，所述的散热装置包括上热沉、下热沉、热电制冷片以及散热器；
在所述的散热装置中，所述上热沉的底面与所述下热沉的顶面相接；在所述下热沉与所述散热器之间夹持热电制冷片，所述热电制冷片的冷面与所述下热沉的底面贴合，热面与所述散热器的顶面贴合；所述上热沉的底面与所述下热沉的顶面的对应位置各开有轴向通孔，两个所述的轴向通孔组合后所形成的通孔的垂直于通孔轴线方向的截面成正多边形；在所述下热沉的轴向通孔的底端有一凸起，在所述凸起上开有凹槽；在所述上热沉和所述下热沉上安装有用于导热的热管；
将所述棒状激光晶体安放在所述下热沉的凸起的凹槽内，所述反射腔安放在所述凸起上并将所述棒状激光晶体套在其内；在所述散热装置内的正多边形通孔的各条边上安装所述的单管激光二极管，使得所述单管激光二极管围绕所述反射腔按顺序排布，各个二极管的出光方向正对棒状激光晶体；在所述单管激光二极管的出光方向上安装有用于均匀泵浦激光的整形透镜。
上述技术方案中，所述反射腔是中空的圆柱形薄壁，其内表面通过电镀形成高反面，所述反射腔的正下方有对应于下热沉上所述凸起的开口。
上述技术方案中，在所述散热装置内的正多边形通孔的一条边上安装有一列单管激光二极管，同一列单管激光二极管的出光方向一致。
上述技术方案中，所述热管安装在所述上热沉的表面和所述下热沉的内部。
上述技术方案中，所述热管包括“n”字形热管和线形热管；其中，
所述线形热管安装在所述下热沉的内部且位于所述凸起的下方；所述“n”字形热管安装在所述上热沉顶部表面的多个平行的半圆形凹槽内，且所述“n”字形热管穿入到所述下热沉的内部。
上述技术方案中，所述热管包括环形热管，所述环形热管包括安装在所述上热沉顶部表面的多个平行的半圆形凹槽内且穿入到所述下热沉内部的部分，以及安装在所述下热沉底端的部分。
上述技术方案中，在所述热沉与所述热管之间、所述热沉与所述热电制冷片之间、所述热电制冷片与所述散热器之间涂有用于提高导热率的导热脂。
上述技术方案中，两个所述的轴向通孔组合后所形成的通孔的垂直于通孔轴线方向的截面所形成的正多边形为正十二边形。
本发明的优点在于：
1、本发明可以实现大功率半导体侧面泵浦激光增益模块的完全风冷，尤其适用于狭小空间内大功率激光的获得。
2、本发明结构简单、散热效率高，便于使用。
附图说明
图1为本发明的激光增益模块的立体示图；
图2为本发明的激光增益模块的一种实现方式的正向截面剖视图；
图3为本发明的激光增益模块的一种实现方式在A-A方向的截面剖视图；
图4为本发明的激光增益模块的另一种实现方式的正向截面剖视图。
图面说明
1 棒状激光晶体 2 反射腔 3 单管激光二极管
4 整形透镜 5 上热沉 6 下热沉
7 “n”字形热管 8 线形热管 9 热电制冷片
10 散热器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
在图1中，示出了一种半导体激光单管组合侧面泵浦固体激光器的激光增益模块的示意图，在该激光增益模块中采用了本发明的散热装置的一种实现方式。从图中可以看出，该散热装置包括有上热沉5、下热沉6、热电制冷片(Thermoelectric Cooling Chip，下面简称TEC)9以及散热器10。在下文中将对散热装置中上述部件的结构特点以及它们之间的连接关系进行说明。
上热沉5由诸如高导热率无氧铜的高导热率材料制成。上热沉5的底面为平面，在底面的中心位置开有轴向通孔。在该通孔内可安装激光增益模块所需的单管激光二极管、棒状激光晶体、反射腔、透镜等部件。上热沉5的顶部呈半圆柱形，圆柱形顶部的表面开有多个平行的半圆形凹槽，使得“n”字形热管7可放置在这些半圆形凹槽内。在本实施例中，由图3中对下热沉6的轴向截面图中可以看出，所述半圆形凹槽以及“n”字形热管7的个数为5个。在上热沉5的边缘部分还开有用于与下热沉6连接的连接孔以及用于使得“n”字形热管7通过的通孔。
下热沉6同样由诸如高导热率无氧铜的高导热率材料制成。下热沉6的顶面为平面，在顶面的中心位置也开有轴向通孔。下热沉6内的轴向通孔与前述上热沉5内的轴向通孔的位置相对应，在上热沉5和下热沉6装配后，两轴向通孔组合后的截面成正多边形。在下热沉6的轴向通孔的底端有类似梯形的凸起，该凸起上开有用于安放激光晶体的凹槽。下热沉6内部且位于所述凹槽的下方装有线形热管8，在图2中对下热沉6的截面图中可以看出所述的线形热管8。在图3中对下热沉6的轴向截面图中可以看出，在本实施例中，线形热管8有5个。下热沉6顶面的边缘部分开有用于与上热沉5连接的连接孔以及用于使得“n”字形热管7通过的通孔。所述连接孔、通孔与上热沉5上的相应孔的位置对应。下热沉6的底面也为平面，该底面的边缘部分开有用于与散热器10连接的连接孔。
上热沉5、下热沉6中所涉及的“n”字形热管7和线形热管8是具有极高导热率的装置。热管一般由管壳、吸液芯和工作流体三部分组成，它是利用全封闭的管壳中的工作流体的蒸发与冷凝来传递热量的。工作状态下的热管可分为吸热段和冷凝段两部分，热管在工作时，吸热段受热，管壁周围的液体瞬间汽化产生蒸汽，此时这部分的压力就会变大，蒸汽在微小的压力差下流向冷凝段，在冷凝段释放出热量，重新凝结成液体。液体再沿吸液芯靠毛细力的作用流回吸热段，如此循环不止。热量由热管一端传至另外一端，这种循环是快速进行的，从而使得热量可以被源源不断地传导开来。
TEC9与散热器10可采用市场上常见的相应部件。TEC9成板状，散热器10的顶面为平面，在顶面的边缘处开有用于与下热沉6连接的连接孔，该连接孔与下热沉6上的对应连接孔的位置相对齐。
将上述部件组合在一起以形成散热装置时，上热沉5的底面与下热沉6的顶面接触，上热沉5的“n”字形热管7穿过下热沉6上的相应通孔插入到下热沉6的内部，上热沉5和下热沉6通过上热沉5的连接孔与下热沉6顶面的连接孔相连。下热沉6还通过底部的连接孔与散热器10相连，在所述下热沉6与散热器10之间夹持TEC9，TEC9的冷面与下热沉6的底面贴合，热面与散热器10的顶面贴合。本发明中热沉与热管、热沉与TEC以及TEC与散热器接触处均可涂导热脂以提高导热率。需要说明的是，在本实施例中，“n”字形热管7插入到下热沉6的内部，但在其它实现方式中，“n”字形热管7与下热沉6间的位置关系并不局限于上述说明，例如，“n”字形热管7也可以包围在下热沉6的外部。
将上述的散热装置应用到半导体激光单管组合侧面泵浦的激光增益模块中时，需要在散热装置内安装包括棒状激光晶体1、反射腔2、单管激光二极管3、整形透镜4在内的各个部件，从而得到所述的激光增益模块。其中，所述的棒状激光晶体1可直接从市场上购得。所述反射腔2是中空的圆柱形薄壁，其内表面通过电镀形成高反面，反射腔2的正下方有相对于下热沉6上凸起的开口。所述的单管激光二级管3可从市场上直接购得。
在散热装置内安装上述部件时，参考图1和图2，通过在前述下热沉6内凸起上的凹槽安装所述的棒状激光晶体1，所述的反射腔2利用正下方的开口套装在棒状激光晶体1外。在本实施例中，由上热沉5和下热沉6组合而成的正多边形通孔的垂直于通孔轴线方向的截面可为正十二边形，除去下方用于安放棒状激光晶体1的凸起部分，可在正十二边形的十条边上各自安装一列单管激光二极管3，使得单管激光二极管3围绕反射腔2按照一定的顺序排布。一列单管激光二极管3中，所安装的单管激光二极管3的个数可根据实际需要而定，在本实施例中，如图3所示，一列单管激光二极管3的个数为十个。在固定安装单管激光二极管3时，各个二极管的出光方向正对棒状激光晶体1，且同一列单管激光二极管3的出光方向一致。在一列单管激光二极管3之前可粘有对应长度的整形透镜4，使得单管激光二极管3所发出的激光能够均匀地泵浦到棒状激光晶体1上。在本实施例中，一个单管激光二极管3的功率为5W，则整个激光增益模块的总泵浦功率即可达到500W。需要说明的是，在本实施例中，所述上热沉5和下热沉6组合而成的通孔为正十二边形，但在实际应用中，也可根据需要采用其它边数的正多边形。
安装有本发明的散热装置的激光增益模块在工作时，利用热管将单管激光二极管3所产生的废热传导到热沉的底部，然后通过TEC9与散热器10将热量及时散发到空气中。与实心热沉相比，在导热率上有极大提高，且比带有水冷通道的热沉更为灵活。
上述说明给出了本发明的散热装置以及采用该散热装置的激光增益模块的一种实现方式。在具体实现时，所述散热装置以及所对应的激光增益模块的结构并不局限于上述实现方式。在图4中还给出了另一种实现方式。在这一实现方式中，散热装置中的其余部分保持不变，但前述的“n”字形热管7和线形热管8由一个环形热管11代替，使得前述“n”字形热管7和线形热管8在下热沉6的底部连成一体，作为共同的冷凝段。这一实现方式由于增加了冷凝段的长度，加快了热沉与TEC9之间的换热过程，从而使得整个散热装置的散热过程更快。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种半导体激光单管组合侧面泵浦固体激光器的激光增益模块，其特征在于，包括：散热装置、棒状激光晶体(1)、反射腔(2)、单管激光二极管(3)、整形透镜(4)；其中，所述的散热装置包括上热沉(5)、下热沉(6)、热电制冷片(9)以及散热器(10)；
在所述的散热装置中，所述上热沉(5)的底面与所述下热沉(6)的顶面相接；在所述下热沉(6)与所述散热器(10)之间夹持热电制冷片(9)，所述热电制冷片(9)的冷面与所述下热沉(6)的底面贴合，热面与所述散热器(10)的顶面贴合；所述上热沉(5)的底面与所述下热沉(6)的顶面的对应位置各开有轴向通孔，两个所述的轴向通孔组合后所形成的通孔的垂直于通孔轴线方向的截面成正多边形；在所述下热沉(6)的轴向通孔的底端有一凸起，在所述凸起上开有凹槽；在所述上热沉(5)和所述下热沉(6)上安装有用于导热的热管；
将所述棒状激光晶体(1)安放在所述下热沉(6)的凸起的凹槽内，所述反射腔(2)安放在所述凸起上并将所述棒状激光晶体(1)套在其内；在所述散热装置内的正多边形通孔的各条边上安装所述的单管激光二极管(3)，使得所述单管激光二极管(3)围绕所述反射腔(2)按顺序排布，各个二极管的出光方向正对棒状激光晶体(1)；在所述单管激光二极管(3)的出光方向上安装有用于均匀泵浦激光的整形透镜(4)。
2.根据权利要求1所述的激光增益模块，其特征在于，所述反射腔(2)是中空的圆柱形薄壁，其内表面通过电镀形成高反面，所述反射腔(2)的正下方有对应于下热沉(6)上所述凸起的开口。
3.根据权利要求1所述的激光增益模块，其特征在于，在所述散热装置内的正多边形通孔的一条边上安装有一列单管激光二极管(3)，同一列单管激光二极管(3)的出光方向一致。
4.根据权利要求1所述的激光增益模块，其特征在于，所述热管安装在所述上热沉(5)的表面和所述下热沉(6)的内部。
5.根据权利要求1所述的激光增益模块，其特征在于，所述热管包括“n”字形热管(7)和线形热管(8)；其中，
所述线形热管(8)安装在所述下热沉(6)的内部且位于所述凸起的下方；所述“n”字形热管(7)安装在所述上热沉(5)顶部表面的多个平行的半圆形凹槽内，且所述“n”字形热管(7)穿入到所述下热沉(6)的内部。
6.根据权利要求1所述的激光增益模块，其特征在于，所述热管包括环形热管(11)，所述环形热管(11)包括安装在所述上热沉(5)顶部表面的多个平行的半圆形凹槽内且穿入到所述下热沉(6)内部的部分，以及安装在所述下热沉(6)底端的部分。
7.根据权利要求1所述的激光增益模块，其特征在于，在所述上热沉与所述热管之间、所述下热沉与所述热管之间、所述下热沉与所述热电制冷片(9)之间、所述热电制冷片(9)与所述散热器(10)之间涂有用于提高导热率的导热脂。
8.根据权利要求1所述的激光增益模块，其特征在于，两个所述的轴向通孔组合后所形成的通孔的垂直于通孔轴线方向的截面所形成的正多边形为正十二边形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Laser gain module of semiconductor laser monotube combined side pumped solid-state laser Effective date of registration: 20180119 Granted publication date: 20110105 Pledgee: China Co truction Bank Corp Beijing Zhongguancun branch Pledgor: Beijing GK Laser Technology Co., Ltd. Registration number: 2018990000064 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20180130 Granted publication date: 20110105 Pledgee: China Co truction Bank Corp Beijing Zhongguancun branch Pledgor: Beijing GK Laser Technology Co., Ltd. Registration number: 2018990000064 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Laser gain module of semiconductor laser monotube combined side pumped solid-state laser Effective date of registration: 20180130 Granted publication date: 20110105 Pledgee: China Co truction Bank Corp Beijing Zhongguancun branch Pledgor: Beijing GK Laser Technology Co., Ltd. Registration number: 2018990000091 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110105 Termination date: 20200402 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |