CN104993360A - 基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块 - Google Patents

Abstract

基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块，属板条激光放大器技术领域，包括碳化硅热沉1、板条激光晶体、碳化硅热沉2、绝热转接固定板；本发明采用热导率高并且热膨胀系数与增益介质非常接近的碳化硅晶体作为冷却热沉，晶体和热沉通过键合或光胶的方式结合，消除晶体在受热过程中因热应力产生的变形，将热应力对光学元件的危害降至最低，大大提高了板条激光放大器的提取效率，从而在较高的泵浦功率下获得大功率高光束质量的激光输出。

Description

基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块

技术领域

本发明涉及一种板条激光放大器技术领域的装置，具体涉及一种基于碳化硅(SiC)晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块。

技术背景

半导体泵浦的全固态激光器(Diode Pumped Solid State Laser,简称为DPSSL)，是固体激光技术发展过程中的巨大革新。过去几十年，DPSSL得到了迅猛的发展，它兼顾了半导体和固体激光器各自的优点，在激光器的寿命、效率、光束质量、可靠性以及稳定性等方面都得到了很大的改善，从而得到了广泛的应用。传统的固体激光器增益介质多采用棒状形式，这种激光器在承受热负荷时径向温度梯度大，热效应(包括热透镜效应、热致双折射效应等)严重，大大影响了输出光束的光束质量，限制了激光器的输出功率；碟片激光器很好的解决了晶体的热效应，但是由于碟片晶体厚度薄，轴向增益低，难以获得高效率激光输出；板条激光器本身的几何结构消除了应力感生双折射，采用晶体的两个大面进行冷却，消除了一级热效应，并且它在轴向增益高，效率高，可以得到比棒状固体激光器更好的光束质量和更高的平均输出功率。同时，为了满足实际应用的需要，选用光束质量接近衍射极限的种子激光器作为主振荡级，采用板条作为激光放大器，可以较高的输出功率和良好的光束质量。

板条激光放大器又具有很多类型，按泵浦方式来分主要有：端面泵浦、侧面泵浦以及上下表面靠近端面处带状局部泵浦和上下表面大面积泵浦四种。上下表面大面积泵浦只能将上下两个表面分别作为泵浦面和制冷面，单一表面进行制冷容易在泵浦方向的纵向上产生热梯度，影响输出光束的光束质量。侧面泵浦方式泵浦光只能从两个小的侧面进行泵浦，这就要求泵浦光有较好的方向性才能耦合进增益介质。而端面泵浦方式可以使种子光束与泵浦光束得到很好的匹配，在保证高光束质量的前提下获得高功率的激光输出，是目前板条激光器和板条激光放大器最常采用的方式。

目前板条状晶体(如图1所示)基本上在两个大面采用水冷热沉来进行散热，这样在均匀泵浦的情况下，工作介质内的温度梯度是一维分布的，即温度梯度只存在于垂直晶体大面的方向上。这种一维的热场分布，不易产生热致双折射从而防止了热退偏，以达到减弱甚至消除热透镜的目的。目前通常是将激光晶体(如掺钕钒酸钇等)两个大面镀金然后焊接到铜质的热沉上，由于受到热沉体积的限制只能进行微通道冷却，在大功率泵浦情况下散热不及时，这样晶体在泵浦过程中受热极易在热应力作用下产生变形甚至破裂。并且铜质热沉在通水过程中易产生铜锈，如果采用微通道方式冷却的话极易造成微通道堵塞造成冷却失效，影响输出光束的功率和光束质量，甚至造成晶体炸裂。北京理工大学张恒利提交的申请号为201010194290.x、发明名称为“闪光灯泵浦半条增益模块”的专利申请即属于此列。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的端面泵浦板条激光器中板条晶体采用金属热沉焊接冷却方案中，在大功率泵浦情况下晶体散热不及时以及铜质材料在通水过程中易产生铜锈堵塞热沉造成元件损坏或失效的不足，采用热导率高并且热膨胀系数与增益介质非常接近的碳化硅晶体作为冷却热沉，晶体和热沉通过键合或光胶的方式结合，消除晶体在受热过程中因热应力产生的变形，将热应力对光学元件的危害降至最低，从而在较高的泵浦功率下获得大功率高光束质量的激光输出而提出的一种基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块，包括：碳化硅热沉1、板条激光晶体、碳化硅热沉2、绝热转接固定板，其特征在于碳化硅热沉1和碳化硅热沉2是长方体板型材，其底面中间带有凹陷面，两碳化硅热沉1和2上与底面相平行的方向上分别带有水流通道，两碳化硅热沉1和2带有凹陷面的底面分别与板条激光晶体两个冷却面键合或胶合连接，碳化硅热沉1和2的两凹陷面略大于板条激光晶体的冷却面，使得凹陷面与板条激光晶体的冷却面能紧密的接触；碳化硅热沉2被固定在绝热转接固定板上。

所述的碳化硅热沉1和碳化硅热沉2当中水流通道采用微通道方式,以确保激光晶体均匀散热，消除局部热梯度；

所述的绝热转接固定板材料为有机玻璃；

所述的碳化硅热沉2被固定在绝热转接固定板上的固定方式采用胶合连接的方式。

所述的板条激光晶体结构是指冷却面(上下两个大面)远大于通光面的矩形板条状结构。

本发明提供的高效冷却的端面泵浦板条激光晶体冷却模块采用热导率高并且热膨胀系数与增益介质非常接近的碳化硅晶体作为热沉，消除了金属材料在通水过程中产生水锈堵塞热沉造成元件损坏或失效的问题；晶体通过键合或胶合方式连接，消除了晶体在受热过程中因热应力造成的变形，将热应力对光学元件的危害降至最低；晶体除通光面外均与热沉具有很好的接触，更有利于晶体的散热；热沉通过绝热转接固定板固定，消除了由于冷却模块与固定装置之间的热梯度产生的变形。

附图说明

图1是一般金属焊接热沉接触冷却板条激光晶体的结构示意图。

图2是本发明冷却模块的结构示意图。

其中：1、碳化硅热沉1，2、碳化硅热沉2，3、板条激光晶体，4、绝热转接固定板，5、为碳化硅热沉1的凹陷面，6、是碳化硅热沉2的凹陷面，7、是碳化硅热沉1的水流通道，8、碳化硅热沉2的水流通道。

图3是本发明用于LD端面泵浦板条激光放大器的泵浦结构示意图。

其中：9、LDA泵浦源，10、泵浦波导耦合系统，11、板条激光晶体冷却模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图2所示，一种基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块，包括：碳化硅热沉1、板条激光晶体3、碳化硅热沉2、绝热转接固定板4，其特征在于碳化硅热沉1和碳化硅热沉2是长方体板型材，其底面中间带有凹陷面5和6，两碳化硅热沉1和2上与底面相平行的方向上分别带有水流通道7和8，两碳化硅热沉1和2带有凹陷面的底面分别与板条激光晶体3两个冷却面键合连接，碳化硅热沉1和2的两凹陷面5和6略大于板条激光晶体3的冷却面，使得凹陷面5和6与板条激光晶体3的冷却面能紧密的接触；碳化硅热沉2被固定在绝热转接固定板4上。

所述的碳化硅热沉1和碳化硅热沉2当中水流通道采用微通道方式，以确保激光晶体均匀散热，消除局部热梯度；

所述的绝热转接固定板材料为有机玻璃；

所述的绝热转接固定板与碳化硅热沉2采用胶合的形式连接。

本实施例板条激光晶体是具有上下两个大面的板条状结构，以尺寸10×12×1mm³(1mm为晶体厚度，12mm为晶体长度)的掺钕钒酸钇晶体为例，掺钕钒酸钇晶体激光晶体6面抛光；碳化硅热沉1、2表面也进行抛光处理，板条激光晶体两个大面通过胶合分别与两个碳化硅热沉连接；碳化硅热沉水流通道采用多通道(微通道)形式，这样可以增加冷却面积并形成湍流，使晶体散热更加均匀实现更好的冷却效果；碳化硅热沉可以消除金属热沉在同水冷却时产生水锈堵塞水道而造成的元件的损坏或失效；碳化硅晶体不仅热导率高，而且热膨胀系数与板条激光晶体的热膨胀系数相近，热沉与激光晶体通过键合或胶合的方式连接，消除了以往金属焊接热沉带来的机械应力和热应力；整个热沉通过绝热转接固定板4进行固定，可以消除由于冷却模块在冷却过程中与固定装置之间产生的温度梯度造成的热应力。

掺钕钒酸钇晶体两个大面分别键合或胶合碳化硅热沉1和热沉2，碳化硅热沉1和2内部加工成多通道(微通道)形式，热沉1和热沉2分别通水对晶体进行冷却。如说明书附图3所示，泵浦源LDA发出的光束经波导耦合系统整形成与板条晶体截面相匹配的长条形光束(光束水平方向为平顶分布，在竖直方向为高斯分布)，光束聚焦镜之后入射到板条激光晶体上(光斑大小：～10×0.3mm²)，板条晶体通过冷却模块通水冷却。

实施例2：

同实施例1相同，只是两碳化硅热沉1和2带有凹陷面的底面分别与板条激光晶体3两个冷却面是胶合连接。

Claims (4)

1.一种基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块，包括碳化硅热沉1、板条激光晶体、碳化硅热沉2和绝热转接固定板，其特征在于碳化硅热沉1和碳化硅热沉2是长方体板型材，其底面中间带有凹陷面，两碳化硅热沉1和2上与底面相平行的方向上分别带有水流通道，两碳化硅热沉1和2带有凹陷面的底面分别与板条激光晶体两个冷却面键合或胶合连接，碳化硅热沉1和2的两凹陷面略大于板条激光晶体的冷却面，使得凹陷面与板条激光晶体的冷却面能紧密的接触；碳化硅热沉2被固定在绝热转接固定板上。

2.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块，其特征在于所述的碳化硅热沉1和碳化硅热沉2当中水流通道采用微通道方式。

3.根据权利要求2所述的一种基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块，其特征在于所述的绝热转接固定板材料为有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅晶体的端面泵浦板条激光放大器晶体冷却模块，其特征在于所述的碳化硅热沉2被固定在绝热转接固定板上的固定方式采用胶合连接的方式。