CN102082388B - 固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于激光二极管端面抽运固体激光器晶体散热技术，特别是固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法，包括激光晶体棒和夹持激光晶体棒的上金属块热沉、下金属块热沉，激光晶体棒的抽运端面周围有扇形辐射式微通道，进水孔和出水孔与扇形辐射式微通道形成水通道；所述的扇形辐射式微通道由上串联扇形辐射状微通道层和下串联扇形辐射状微通道层构成；上串联扇形辐射状微通道层和上金属块热沉焊接为一体形成上热沉，下串联扇形辐射状微通道层和下金属块热沉焊接为一体形成下热沉。它提供了一种实现高密度热耗的有效耗散端面抽运固体激光器晶体串联扇形辐射式散热的冷却方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光二极管端面抽运固体激光器晶体散热技术，特别是固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法。
背景技术
随着抽运源功率的不断提高，晶体热效应对于激光二极管抽运固体激光器工作性能的影响不容忽视。近十年来，晶体热效应得到了广泛的研究，它指的是热透镜效应、热应力双折射效应和端面形变效应的总称，其中，晶体热透镜效应占绝对优势，它会对激光产生汇聚作用，热应力双折射效应影响激光的偏振态，若热应力超出晶体所能承受的范围，将会引起晶体炸裂，端面形变效应所占比例虽小，但是它应可能引起晶体端面膜层的损坏。因此，如何控制、减弱晶体热效应的影响是设计人员必须着重考虑的问题。
Nd:YAG是最常用的激光晶体材料，其尺寸通常较小，如Ф3mm×15mm、4mm×4mm×10mm等。通用的晶体散热方式大多属于传导散热，例如，对于端面抽运的圆棒晶体，通常将晶体棒侧面用铟皮包裹，然后用两块带有半圆形凹槽的金属块热沉夹持，再用半导体制冷器紧贴金属块热沉外侧将热量带出。由于激光晶体尺寸小，且能量由端面注入，绝大部分热耗集中于抽运端，因此，晶体热耗具有密度大、分布不均匀的特点。显然，对于这种分布不均匀的高密度热耗，使用金属块热沉实现高效散热存在瓶颈，抽运功率增加到一定程度，将会由于无法及时散热引发激光性能的迅速下降，甚至产生灾难性热损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现高密度热耗的有效耗散端面抽运固体激光器晶体串联扇形辐射式散热的冷却方法。
本发明的目的是这样实现的，固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法，其特征是：包括激光晶体棒和夹持激光晶体棒的上金属块热沉、下金属块热沉，激光晶体棒的抽运端面周围有扇形辐射式微通道，进水孔和出水孔与扇形辐射式微通道形成水通道。
所述的扇形辐射式微通道由上串联扇形辐射状微通道层和下串联扇形辐射状微通道层构成；上串联扇形辐射状微通道层和上金属块热沉焊接为一体形成上热沉，下串联扇形辐射状微通道层和下金属块热沉焊接为一体形成下热沉；上金属块热沉的进水孔和出水孔与上串联扇形辐射状微通道层的微通道形成上水通道，下金属块热沉的进水孔和出水孔与下串联扇形辐射状微通道层的微通道形成下水通道。
所述的上串联扇形辐射状微通道层和下串联扇形辐射状微通道层结构相同。
所述的上串联扇形辐射状微通道层和下串联扇形辐射状微通道层由具有扇形辐射状镂空纹路的金属片和隔水片构成叠层结构，镂空纹路的金属片在内，隔水片在外，一片金属片和一片隔水片构成一组，镂空纹路的金属片和相对应的上、下金属块热沉有水通道相通，镂空纹路的金属片的镂空形成水通道分布在激光晶体棒周围，外层隔水片使镂空形成水通道形成密封。
所述的金属片和隔水片叠层形成1组或2组或3组或4组，叠层总后度不小于2mm,最佳厚度在3mm。
所述的扇形辐射状镂空纹路形成水通道，通道最小尺寸为0.5mm。
所述的金属片与金属块热沉均为无氧铜材料。
所述的上串联扇形辐射状微通道层和下串联扇形辐射状微通道层制作包括机加工和焊接两道工序：对三组的金属片和隔水片叠层首先，按照设计尺寸机加工前端密封金属片、第一扇形辐射状微通道金属片、第一分隔金属片、第二扇形辐射状微通道金属片、第二分隔金属片、第三扇形辐射状微通道金属片以及上金属块热沉和下金属块热沉，上金属块热沉和下金属块热沉各一块，编号1至编号6每件加工两个，选用线切割或者慢走丝的机加工方式，可以比较容易的完成扇形辐射状通道图案的精确制作，同时保证金属薄片的表面平整度和光洁度；
其次，焊接：将前端密封金属片、第一扇形辐射状微通道金属片、第一分隔金属片、第二扇形辐射状微通道金属片、第二分隔金属片、第三扇形辐射状微通道金属片按位排列焊接在一起，将0.1mm厚的焊料膜加在各个零部件之间，两端用平板模具施力夹紧，置于真空炉中，当真空炉炉温达到778℃以上，焊料层融化，在各个零部件之间均匀浸润，从而将各个零部件牢固的焊接在一起，形成辐射状微通道。也可以使用银层作为焊料，先在机加工零部件1～8表面镀银，适当控制银层厚度达到10～15μm，将各个零部件按排列，两端用平板模具施力夹紧，置于真空炉中，当真空炉炉温达到960℃以上，银层融化，将各个零部件牢固的焊接在一起，形成辐射状微通道。
本发明的特点是：本发明涉及的串联扇形辐射状微通道晶体热沉，根据激光二极管端面抽运固体激光器热效应的特点而设计，只将夹持晶体的抽运端一侧设计成微通道，在保证散热效果的同时，降低了制作成本和加工难度。
微通道热沉通道尺寸并不固定（见图4），其中带箭头的折线给出了水流的方向，显然，水流过程中通道的宽度存在显著变化，在靠近夹持晶体处通道最窄，尺寸为0.5mm×1mm，通道压降增加，水流速加快，对流传热能力显著加强，有助于带走集中在抽运端的大量废热，减弱晶体热效应对于固体激光器性能的影响。与普通的微通道热沉相比，通道压降大大降低，从而对水循环机的水压要求也大大降低，使用方便。
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装配示意图；
图2为串联扇形辐射状微通道晶体热沉（上）组成结构图；
图3为串联扇形辐射状微通道晶体热沉（下）组成结构图；
图4为（第二）扇形辐射状微通道金属片。
其中：1、前端密封金属片；2、第一扇形辐射状微通道金属片；3、第一分隔金属片；4、第二扇形辐射状微通道金属片；5、第二分隔金属片；6、第三扇形辐射状微通道金属片；7、上金属块热沉；8、下金属块热沉；9、上串联扇形辐射状微通道层；10、下串联扇形辐射状微通道层；11、激光晶体棒；12、进水孔；13、出水孔；14、上热沉装配孔；15、下热沉装配孔；16、抽运端面。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，包括激光晶体棒11和夹持激光晶体棒11的上金属块热沉7、下金属块热沉8，激光晶体棒11的抽运端面16周围有扇形辐射式微通道，扇形辐射式微通道由上串联扇形辐射状微通道层9和下串联扇形辐射状微通道层10构成。上串联扇形辐射状微通道层9和上金属块热沉7焊接为一体形成上热沉，下串联扇形辐射状微通道层10和下金属块热沉8焊接为一体形成下热沉。上热沉装配孔14和下热沉装配孔15可以用螺丝连接，从而使上、下热沉夹紧激光晶体棒11。上金属块热沉7的进水孔12和出水孔13与上串联扇形辐射状微通道层9的微通道形成上水通道，下金属块热沉8的进水孔12和出水孔13与下串联扇形辐射状微通道层10的微通道形成下水通道。
如图2和图3所示，上串联扇形辐射状微通道层9和下串联扇形辐射状微通道层10结构相同。上串联扇形辐射状微通道层9和下串联扇形辐射状微通道层10由具有扇形辐射状镂空纹路的金属片和隔水片构成叠层结构，镂空纹路的金属片在内，隔水片在外，一片金属片和一片隔水片构成一组，镂空纹路的金属片和相对应的上、下金属块热沉有水通道相通，镂空纹路的金属片的镂空形成水通道分布在激光晶体棒周围，外层隔水片使镂空形成水通道形成密封。
金属片和隔水片叠层形成1组或2组或3组或4组，叠层总后度不小于2mm,最大在6mm。
对于3组金属片和隔水片叠层构成的上串联扇形辐射状微通道层9或下串联扇形辐射状微通道层10及金属块热沉固定制作包括机加工和焊接两道工序。
首先，按照设计尺寸机加工：前端密封金属片1、第一扇形辐射状微通道金属片2、第一分隔金属片3、第二扇形辐射状微通道金属片4、第二分隔金属片5、第三扇形辐射状微通道金属片6、上金属块热沉7和下金属块热沉8，上金属块热沉7和下金属块热沉8各一块，编号1至编号6每件加工两个，选用线切割或者慢走丝的机加工方式，可以比较容易的完成扇形辐射状通道图案的精确制作，同时保证金属薄片的表面平整度和光洁度。
其次，焊接：将前端密封金属片1、第一扇形辐射状微通道金属片2、第一分隔金属片3、第二扇形辐射状微通道金属片4、第二分隔金属片5、第三扇形辐射状微通道金属片6按位排列焊接在一起，将0.1mm厚的焊料膜加在各个零部件之间，两端用平板模具施力夹紧，置于真空炉中，当真空炉炉温达到778℃以上，焊料层融化，在各个零部件之间均匀浸润，从而将各个零部件牢固的焊接在一起，形成辐射状微通道。也可以使用银层作为焊料，先在机加工零部件1～8表面镀银，适当控制银层厚度达到10～15μm，将各个零部件按照图2和图3的方式排列，两端用平板模具施力夹紧，置于真空炉中，当真空炉炉温达到960℃以上，银层融化，将各个零部件牢固的焊接在一起，形成辐射状微通道。
将完成的上串联扇形辐射状微通道层9和下串联扇形辐射状微通道层10上下配合在一起，夹持激光晶体棒11，通过装配孔14、15用螺丝紧固。装配时，为了保证晶体棒11与上串联扇形辐射状微通道层9和下串联扇形辐射状微通道层10的半圆凹槽内壁的紧密接触，晶体棒需要包裹一层高导热材料薄层，通常为铟皮。晶体棒的抽运端16恰好与微通道热沉一端接触，保证晶体被抽运时，集中于抽运端面的废热的有效耗散。
冷却水由进水口12进入，经由1～8叠层形成的圆形通道流入2中的扇形辐射状通道，经3进入4中的扇形辐射状通道，再经5流入6中的扇形辐射状通道，最后流入金属块热沉7和8，由出水口13流出。
为确保通道最小处尺寸形成不大于1mm的微通道，前端密封金属片1、扇形辐射状微通道金属片2、4、6与分隔金属片3、5的厚度均选为1mm。实际中，1mm厚的金属片具有一定的机械强度，易于操作。串联扇形辐射状微通道晶体热沉9和10上的夹持用半圆凹槽可以在焊接完成后再进行机加工，以保证9与10配合后形成夹持圆柱孔的圆度和轴向均匀性。
实施例2
本发明中，金属片和隔水片叠层可选择2组，也就是上串联扇形辐射状微通道层9和下串联扇形辐射状微通道层10中的叠层金属片在2片、隔水片2片。将前端密封金属片1、第一扇形辐射状微通道金属片2、第一分隔金属片3、第二扇形辐射状微通道金属片4按位排列焊接在一起，将0.1mm厚的焊料膜加在各个零部件之间，两端用平板模具施力夹紧，置于真空炉中，当真空炉炉温达到778℃以上，焊料层融化，在各个零部件之间均匀浸润，从而将各个零部件牢固的焊接在一起，形成辐射状微通道。也可以使用银层作为焊料，先在机加工零部件1～8表面镀银，适当控制银层厚度达到10～15μm，将各个零部件按照图2和图3的方式排列，两端用平板模具施力夹紧，置于真空炉中，当真空炉炉温达到960℃以上，银层融化，将各个零部件牢固的焊接在一起，形成辐射状微通道。
实施例3
本发明中，金属片和隔水片叠层可选择4组，也就是上串联扇形辐射状微通道层9和下串联扇形辐射状微通道层10中的叠层金属片在4片、隔水片4片。叠层总后度不小于2mm,最大在6mm。上串联扇形辐射状微通道层9或下串联扇形辐射状微通道层10及金属块热沉固定制作包括机加工和焊接工序与实施例1和实施例2相同。
Claims (5)
1.固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法，其特征是：包括激光晶体棒（11）和夹持激光晶体棒（11）的上金属块热沉（7）、下金属块热沉（8），激光晶体棒（11）的抽运端面（16）周围有扇形辐射式微通道，进水孔（12）和出水孔（13）与扇形辐射式微通道形成水通道；所述的扇形辐射式微通道由上串联扇形辐射状微通道层（9）和下串联扇形辐射状微通道层（10）构成；上串联扇形辐射状微通道层（9）和上金属块热沉（7）焊接为一体形成上热沉，下串联扇形辐射状微通道层（10）和下金属块热沉（8）焊接为一体形成下热沉；上金属块热沉（7）的进水孔（12）和出水孔（13）与上串联扇形辐射状微通道层（9）的微通道形成上水通道，下金属块热沉（8）的进水孔（12）和出水孔（13）与下串联扇形辐射状微通道层（10）的微通道形成下水通道；所述的上串联扇形辐射状微通道层（9）和下串联扇形辐射状微通道层（10）结构相同；所述的上串联扇形辐射状微通道层（9）和下串联扇形辐射状微通道层（10）由具有扇形辐射状镂空纹路的金属片和隔水片构成叠层结构，镂空纹路的金属片在内，隔水片在外，一片金属片和一片隔水片构成一组，镂空纹路的金属片和相对应的上、下金属块热沉有水通道相通，镂空纹路的金属片的镂空形成水通道分布在激光晶体棒周围，外层隔水片使镂空形成水通道形成密封。
2.根据权利要求1所述的固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法，其特征是：所述的金属片和隔水片叠层形成1组或2组或3组或4组，叠层总厚度不小于2mm。
3.根据权利要求1所述的固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法，其特征是：所述的扇形辐射状镂空纹路形成水通道，通道宽度最小尺寸为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法，其特征是：所述的上串联扇形辐射状微通道层（9）和下串联扇形辐射状微通道层（10）制作包括机加工和焊接两道工序：对三组的金属片和隔水片叠层，首先，按照设计尺寸机加工前端密封金属片（1）、第一扇形辐射状微通道金属片（2）、第一分隔金属片（3）、第二扇形辐射状微通道金属片（4）、第二分隔金属片（5）、第三扇形辐射状微通道金属片（6）以及上金属块热沉（7）和下金属块热沉（8），上金属块热沉（7）和下金属块热沉（8）各一块，前端密封金属片（1）、第一扇形辐射状微通道金属片（2）、第一分隔金属片（3）、第二扇形辐射状微通道金属片（4）、第二分隔金属片（5）、第三扇形辐射状微通道金属片（6）每件加工两个，选用线切割或者慢走丝的机加工方式，能够比较容易的完成扇形辐射状通道图案的精确制作，同时保证金属薄片的表面平整度和光洁度；其次，焊接：将前端密封金属片（1）、第一扇形辐射状微通道金属片（2）、第一分隔金属片（3）、第二扇形辐射状微通道金属片（4）、第二分隔金属片（5）、第三扇形辐射状微通道金属片（6）按位排列焊接在一起，将0.1mm厚的焊料膜加在各个零部件之间，两端用平板模具施力夹紧，置于真空炉中，当真空炉炉温达到778℃以上，焊料层融化，在各个零部件之间均匀浸润，从而将各个零部件牢固的焊接在一起，形成辐射状微通道；也能够使用银层作为焊料，先在机加工将前端密封金属片（1）、第一扇形辐射状微通道金属片（2）、第一分隔金属片（3）、第二扇形辐射状微通道金属片（4）、第二分隔金属片（5）、第三扇形辐射状微通道金属片（6）、上金属块热沉（7）、下金属块热沉（8）的表面镀银，适当控制银层厚度达到10～15μm，将前端密封金属片（1）、第一扇形辐射状微通道金属片（2）、第一分隔金属片（3）、第二扇形辐射状微通道金属片（4）、第二分隔金属片（5）、第三扇形辐射状微通道金属片（6）、上金属块热沉（7）、下金属块热沉（8）按前端密封金属片（1），第一扇形辐射状微通道金属片（2），第一分隔金属片（3），第二扇形辐射状微通道金属片（4），第二分隔金属片（5），第三扇形辐射状微通道金属片（6），上金属块热沉（7）或下金属块热沉（8）的顺序排列，两端用平板模具施力夹紧，置于真空炉中，当真空炉炉温达到960℃以上，银层融化，将各个零部件牢固的焊接在一起，形成辐射状微通道。
5.根据权利要求2所述的固体激光器的串联扇形辐射式微通道晶体热沉冷却方法，其特征是：所述的叠层总厚度为3mm。
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