CN101958506B - 激光二极管泵浦固体激光器中晶体与热沉模块化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光二极管泵浦固体激光器，特别是激光二极管泵浦固体激光器中晶体与热沉模块化方法，其特征是：晶体与晶体热沉通过高温焊接成为一个整体；所述的晶体热沉包括晶体热沉上组件和晶体热沉下组件；将晶体和晶体热沉上组件、晶体热沉下组件装配到一起，然后用两块大的平行无氧铜板将其紧紧的压到一起，一同置于真空炉中，加温至银层融化，将晶体与晶体热沉上组件和晶体热沉下组件紧紧地焊接在一起，构成一个整体，将焊接后的晶体与晶体热沉整体镀膜，得到可以直接使用的一体化元件。它既提高了晶体侧壁的热传导效率，减弱了热效应的影响，又提高了系统的可靠性和环境适应性能力，便于产品的批量化生产。

Description

激光二极管泵浦固体激光器中晶体与热沉模块化方法
技术领域
本发明涉及激光二极管泵浦固体激光器，特别是激光二极管泵浦固体激光器中晶体与热沉模块化方法。
技术背景
在激光二极管泵浦固体激光器的设计过程中，由于晶体热效应的存在，对激光器的稳定性、光束质量等产生重要影响，控制或减弱晶体热效应是获得高性能二极管泵浦固体激光器所必须解决的问题之一。
激光晶体在工作过程中会产生大量废热，由于散热不利所引发的废热积累是引起热透镜效应迅速增强的根本原因。因此，设计合理、高效的散热通道是降低废热积累，进而控制热效应的有效手段。通常，激光二极管泵浦固体激光器中所用晶体的尺寸较小(较常见的如Φ3mm×10mm、3mm×3mm×10mm等)，而泵浦功率通常为几瓦至上百瓦，其中约30％转换为废热，因此，晶体内的废热具有热量大、分布集中的特点。对于这种极高的热密度，人们通常采用晶体侧壁冷却的方式进行散热。例如，对于端面泵浦的圆棒晶体，通常先在晶体棒侧壁均匀包裹一层铟皮，再用金属热沉夹持紧固，最后用半导体制冷器(TEC)冷端紧贴金属热沉外侧，晶体所产生的废热由晶体侧壁经过铟皮层传导至金属热沉，再由半导体制冷器(TEC)将热量抽出。图1给出了传统热沉结构，它主要通过晶体棒的圆周面包裹的铟皮2和铟皮2外侧面紧固的晶体热沉上组件3、晶体热沉下组件4将热量传导到半导体制冷器(TEC)，由半导体制冷器(TEC)传向冷源，其中，铟皮2的作用就是实现晶体热沉上组件3、晶体热沉下组件4与晶体1的“软接触”。可见，受晶体尺寸所限，有效散热面积仅为晶体侧面积，且铟皮的热导率远小于金属热沉，相当于在晶体与热沉之间增加了一层热阻，因此，晶体的有效散热十分困难。例如，对于Φ3mm×10mm的Nd:YAG晶体，散热面积仅为0.942cm2，无氧铜热沉热导率为401W/(m·k)，包裹铟皮的热导率为81.6W/(m·k)。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光二极管泵浦固体激光器中晶体与热沉模块化方法，以便有效的提高晶体散热效果，减弱晶体热效应对二极管泵浦固体激光器性能的不利影响，提高二极管泵浦固体激光器的可靠性和寿命。
本发明的技术方案是这样实现的，激光二极管泵浦固体激光器中晶体与热沉模块化方法，其特征是：晶体与晶体热沉通过高温焊接成为一个整体。
所述的晶体为端面非镀膜晶体，侧面烧结金粉层；所述的晶体热沉包括晶体热沉上组件和晶体热沉下组件，在晶体热沉上组件和晶体热沉下组件与晶体的连接面电镀银层；将晶体和晶体热沉上组件、晶体热沉下组件装配到一起，然后用两块大的平行无氧铜板将其紧紧的压到一起，一同置于真空炉中，加温至银层融化，将晶体与晶体热沉上组件和晶体热沉下组件紧紧地焊接在一起，构成一个整体，将焊接后的晶体与晶体热沉整体镀膜，得到可以直接使用的一体化元件。
所述的真空炉中加温至960℃，保持30分钟。
所述的晶体热沉上组件和晶体热沉下组件选用无氧铜材料。
所述的银层的厚度为10-20微米，或厚度为15微米；所述的金粉层的厚度为5-10微米，或厚度为5微米。
本发明的优点在于：晶体与晶体热沉通过高温焊接成为一个整体其特点一，由于二极管端面泵浦固体激光器的热耗高度集中，通过高温焊接，使得晶体与晶体热沉之间的热阻得到了大幅度降低，从而提高了晶体侧壁的热传导效率，减弱了热效应的影响；特点二，可以将晶体与晶体热沉作为一个整体部件进行装配，降低了晶体的装配难度，提高了系统的可靠性和环境适应性能力，便于产品的批量化生产。
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为传统晶体热沉夹持结构示意图；
图2为本发明实施例结构示意图；
图3为本发明实施例结果示意图。
图中：1、晶体；2、铟皮；3、晶体热沉上组件；4、晶体热沉下组件；5、金粉层；6、银层。
具体实施方式
图2所示的实施例结构示意图，晶体1为端面非镀膜晶体(因晶体镀膜在烧结过程中会影响镀膜效果，或将镀膜烧毁，所以晶体1为端面非镀膜晶体最后将焊接后的晶体与晶体热沉整体镀膜，得到可以直接使用的一体化元件。)侧面烧结厚度约为5微米的金粉层5；晶体热沉上组件3和晶体热沉下组件4选用无氧铜材料加工而成，并且在晶体热沉上组件3和晶体热沉下组件4与晶体1的连接面电镀一层厚度约15微米的银层6，银层6主要用作焊料；将烧金后的晶体1和晶体热沉上组件3、晶体热沉下组件4装配到一起，然后用两块大的平行无氧铜板将其紧紧的压到一起，一同置于真空炉中，加温至银层6融化，将晶体1与晶体热沉上组件3和晶体热沉下组件4紧紧地焊接在一起，构成一个整体，如图3所示；将焊接后的晶体与晶体热沉整体镀膜，得到可以直接使用的一体化元件。
真空炉中，加温至银层6融化温度在960℃，保持30分钟既可。银层6厚度可在10-20微米选取，厚度太小达不到焊接和热传导效果，厚度太大，会造成银的浪费，不会产生明显的有益效果。因此选择在最佳厚度在15微米或10-20微米，同样金粉层5选择厚度在5-10微米之间，最佳厚度5微米，与上述银层厚度有相同原因。由于使用银为焊接层代替铟皮2，银的热导率为492W/(m·k)，远远大于铟的热导率81.6W/(m·k)，并且，通过焊接，填充了晶体1与晶体热沉上组件3和晶体热沉下组件4之间的空气间隙，从而极大的降低了热阻，获得了优良的导热效果。
晶体1内由于泵浦产生的热量由晶体侧壁通过焊接银层6传导至晶体热沉上组件3和晶体热沉下组件4，使用时，可以在晶体热沉上组件3和晶体热沉下组件4的外侧连接半导体制冷器(TEC)的冷端，促进热量向外界环境的传导。

Claims (1)

1.激光二极管泵浦固体激光器中晶体与热沉模块化方法，晶体（1）与晶体热沉通过高温焊接成为一个整体；其特征是：所述的晶体（1）为端面非镀膜晶体，侧面烧结金粉层（5）；所述的晶体热沉包括晶体热沉上组件（3）和晶体热沉下组件（4），在晶体热沉上组件（3）和晶体热沉下组件（4）与晶体（1）的连接面电镀银层（6）；将晶体（1）和晶体热沉上组件（3）、晶体热沉下组件（4）装配到一起，然后用两块大的平行无氧铜板将其紧紧的压到一起，一同置于真空炉中,加温至银层（6）融化，将晶体（1）与晶体热沉上组件（3）和晶体热沉下组件（4）紧紧地焊接在一起，构成一个整体，将焊接后的晶体与晶体热沉整体镀膜，得到可以直接使用的一体化元件；所述的银层（6）的厚度为10-20微米；所述的金粉层（5）的厚度为5-10微米；所述的晶体热沉上组件（3）和晶体热沉下组件（4）选用无氧铜材料；所述的真空炉中加温至960℃，保持30分钟。
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