CN105305206A - 一种适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉，包括肋基和多个分布在肋基上的肋片；肋基作为碟片激光晶体的载体，其一个端面用于固定碟片激光晶体，另一个端面上分布有同轴排列的肋片；肋片用于增大散热面积，降低对流换热热阻；该热沉应用于碟片激光器射流冲击冷却系统时，其下表面通过射流冲击冷却进行换热，下表面的肋片增加了对流换热的表面积，加快了换热速率；另外，肋片还从结构上增加了整个热沉的强度，且起到分散射流压力的作用，可减小碟片的冲击变形。

Description

一种适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉

技术领域

本发明属于激光器件技术领域，更具体地，涉及一种适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉。

背景技术

碟片激光器是一种高功率固体激光器，由厚度为0.2mm～0.4mm的碟片激光晶体构成，固定在金属热沉上。泵浦光从碟片激光晶体正面入射，在晶体背面实现冷却，由于碟片激光晶体很薄，径厚比较大，因此冷却效果好，有利于获得高转换效率、高平均功率以及高光束质量的激光输出。然而，在高功率泵浦的条件下，碟片激光晶体作为增益介质仍会产生大量的无用热，影响碟片激光器的性能。

为了提高碟片激光器的输出功率及光束质量，必须提高给定条件下(限定温差)增益介质的传热能力，即需要尽量减小传热热阻。增益介质内部与外部传热是传热过程中的两个串联环节，可从以下几个方面提高碟片激光器的散热能力：第一，减小碟片激光晶体厚度以减小其传热热阻，在这个方向上，现有技术中的碟片激光器几乎已经做到极限，优化的空间很小；第二，优化射流阵列，合理设置喷嘴参数，有效提高换热能力及冷却均匀性；第三，改善热沉的结构。

现有技术中采用射流直接冲击碟片激光晶体的冷却方式减小碟片激光器热阻、提高其热流密度；这种冷却方式可最大限度地减小热沉的热阻，但是，它也存在以下缺点：第一，射流直接冲击碟片激光晶体会导致冷却不均匀而使碟片热畸变严重，甚至破裂；第二，强大的射流冲击压力易导致碟片激光晶体破裂；第三，直接冲击容易损坏碟片激光晶体背面的坏高反膜；另一种方法是在碟片激光晶体背面增加片状热沉，然而这种热沉如果太厚，会使热阻很大，如果太薄，会使其强度减小，冲击压力会使得碟片的形变增加,且长期在高压冷却液的冲击下易损坏。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉，其目的在于在提高碟片激光器传热能力的同时减小由射流冲击压力造成的碟片激光晶体形变。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉，包括肋基和多个分布在肋基上的肋片；

肋基作为碟片激光晶体的载体，其一个端面作为热沉的顶面，用于固定碟片激光晶体；肋片的一端固定在肋基的另一个端面上，多个肋片同轴排列；肋片另一端所在的底面为热沉的底面；热沉的底面的整体面型为凸面或者凹面；肋片用于增大散热面积，降低对流换热热阻。

优选地，上述热沉应用于碟片激光器射流冲击冷却系统时，其肋基的直径与碟片激光晶体的封装尺寸匹配，热沉底面的整体面型与碟片激光晶体的封装面型匹配，当碟片激光晶体封装面型为凸面，采用底面整体面型为凸面的热沉，以防止冲击加重碟片激光晶体的畸变；当碟片激光晶体封装面型为平面，采用底面整体面型为凸面的热沉，以补偿射流冲击对碟片激光晶体造成的形变；当碟片激光晶体封装面型为凹面，采用底面整体面型为凹面的热沉，以通过射流冲击压力来补偿碟片激光晶体封装时所产生的凹面变形。

优选的，热沉采用无氧铜、金刚石或铜钨合金材料。

优选的，上述肋片是圆柱状、棱柱状或圆锥状；相较而言，棱柱状肋片的表面积最大，具有更好的散热性能；而圆锥状肋片可承受的冲击力更大，抗损伤能力更强。

优选的，上述多个肋片在肋基上同轴向均匀排列成六边形。

优选的，上述多个肋片在肋基上同轴向非均匀的排列成圆形；肋片在肋基上的排列方式与热源的形状和大小匹配，以取得更佳的换热效果。

优选的，肋片的截面面积小于1mm²，长度不大于5mm，与碟片激光器射流冲击冷却系统匹配。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉，在传统热沉上的基础上增加肋片，肋片增加了热沉的散热面积，使得碟片激光器在射流冲击冷却过程中的散热面积增大，从而起到降低热阻、提高换热效率的作用；

(2)本发明提供的适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉，在传统热沉上的基础上增加肋片，肋片起分散射流压力的作用，从而起到增加热沉强度的作用，使热沉具有更高的抗压能力，从而减小碟片激光晶体在射流冷却中受到的冲击，减小碟片激光晶体形变；

(3)本发明提供的适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉，热沉底面面型与碟片激光晶体的封装面型匹配，为凸面或凹面，起到抗冲击形变，以及补偿封装形变的作用；当碟片激光晶体封装为凸面，采用底面整体面型为凸面的热沉，以防止冲击加重碟片激光晶体的畸变；当碟片激光晶体封装为平面，采用底面整体面型为凸面的热沉，以补偿射流冲击对碟片激光晶体造成的形变；当碟片激光晶体封装为凹面，采用底面整体面型为凹面的热沉，以通过射流冲击压力来补偿碟片激光晶体封装时所产生的凹面变形。

附图说明

图1是实施例1提供的热沉的俯视图；

图2是实施例1提供的热沉的右视图；

图3是实施例1提供的热沉的倾斜视图；

图4是实施例1提供的热沉应用于碟片激光器射流冲击冷却系统的剖面原理示意图；

图5是实施例2提供的热沉俯视图；

图6是实施例2提供的热沉右视图；

图7是实施例2提供的热沉倾斜视图；

图8是实施例2提供的热沉应用于碟片激光器射流冲击冷却系统的剖面原理示意图；

图9是实施例3提供的热沉俯视图；

图10是实施例3提供的热沉右视图；

图11是实施例3提供的热沉倾斜视图；

图12是实施例3提供的热沉应用于碟片激光器射流冲击冷却系统的剖面原理示意图；

图13是实施例4提供的热沉俯视图；

图14是实施例4提供的热沉右视图；

图15是实施例4提供的热沉倾斜视图；

图16是实施例4提供的热沉应用于碟片激光器射流冲击冷却系统的剖面原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-肋基，2-肋片，3-碟片激光晶体，4-喷孔阵列，5-碟片激光器射流冲击冷却系统管套，6-喷管，7-冷却介质入口，8-冷却介质出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉，包括肋基和在肋基上均匀分布的肋片；肋基作为碟片激光晶体的载体，其一个端面用于固定碟片激光晶体，另一个端面上均匀分布有同轴排列的肋片；

应用于碟片激光器散热时，热沉上表面紧贴于碟片激光晶体的背面，下表面对准由喷孔阵列与喷管组成的射流喷嘴，并由碟片激光器射流冲击冷却系统的管套将其包围封装起来；冷却介质在压力作用下从冷却系统的冷却介质入口进入喷管，通过冷却系统的喷孔阵列之后形成射流阵列，冲击到热沉的下表面；碟片激光晶体的泵浦区生热并以热传导的方式将热量传递给热沉，热沉下表面则通过射流冲击冷却进行换热，肋片增加了对流换热的表面积，加快了换热速率；还从结构上增加了整个热沉的强度，且起到分散射流压力的作用，可减小碟片的冲击变形。

以下结合具体实施例具体阐述本发明提供的适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉。

实施例1

实施例1提供的热沉的俯视图如图1所示，肋片2为圆柱状，在肋基1上同轴向呈六边形均匀排列；图2是实施例1提供的热沉的右视图，所有圆柱状肋片的底面位于同一向外凸起的球面，肋片形成凸面圆柱阵列；图3是实施例1提供的热沉的倾斜视图；从该图可以清楚看出热沉下表面的凸面圆柱阵列；

实施例1提供的热沉采用无氧铜材料，在碟片激光器射流冲击冷却系统中的应用如图4所示，热沉上表面紧贴于碟片激光晶体3的背面，下表面对准由喷孔阵列4与喷管6组成的射流喷嘴，并由碟片激光器射流冲击冷却系统管套5将其包围封装起来；冷却介质在压力作用下从冷却介质入口7进入喷管6，通过喷孔阵列4之后形成射流阵列，直接冲击到热沉的下表面；碟片激光晶体3的泵浦区生热并以热传导的方式将热量传递给热沉，而肋基1下表面及由肋片2形成的扩展表面则通过射流冲击冷却进行换热，热沉的肋片增加了对流换热的表面积，加快换热速率；肋片2从结构上增加了整个热沉的强度，且起到了分散射流压力的作用，可以减小碟片的冲击变形；冲击完热沉的冷却工质通过喷管6与管套5之间的空间从出口8流出。

实施例2

实施例2提供的热沉的俯视图如图5所示，肋片2为圆柱状，在肋基1上同轴向呈六边形均匀排列；图6是实施例2提供的热沉的右视图，各圆柱状肋片2的底面不在同一平面上；图7是实施例3提供的热沉的倾斜视图；从该图可以清楚看出热沉下表面的凸面圆柱底面位于同一向内凹陷的球面，所有肋片构成凹面圆柱阵列；

实施例2提供的热沉采用金刚石材料，在碟片激光器射流冲击冷却系统中的应用如图8所示热沉上表面紧贴于碟片激光晶体3的背面，下表面对准由喷孔阵列4与喷管6组成的射流喷嘴，并由碟片激光器射流冲击冷却系统管套5将其包围封装起来；冷却介质在压力作用下从冷却介质入口7进入喷管6，通过喷孔阵列4之后形成射流阵列，直接冲击到热沉的下表面；碟片激光晶体3的泵浦区生热并以热传导的方式将热量传递给热沉，而肋基1下表面及由肋片2形成的扩展表面则通过射流冲击冷却进行换热；热沉的肋片增加了对流换热的表面积，加快了换热速率；肋片2还从结构上增加了整个热沉的强度，且起到分散射流压力的作用，可减小碟片的冲击变形；冲击完热沉的冷却工质通过喷管6与管套5之间的空间从出口8流出。

实施例3

如图9所示，是实施例3提供的热沉的俯视图，肋片2在肋基1上均匀排列，排列方式为均匀的正六边形排列，肋片的形状为棱柱；如图10所示，所有棱柱的底面位于同一向外凸起的球面，形成凸面棱柱阵列；从图11可以清楚的看出棱柱底面所在的凸面。

实施例3提供的热沉采用铜钨合金材料，在碟片激光器射流冲击冷却系统中的应用如图12所示，肋片热沉上表面为紧贴于碟片激光晶体3的背面，下表面对准由喷孔阵列4与喷管6组成的射流喷嘴，并由碟片激光器射流冲击冷却系统管套5将其包围封装起来；冷却介质在压力驱动下从冷却介质入口7进入喷管6，通过喷孔阵列4之后形成射流阵列，直接冲击到热沉的下表面；碟片激光晶体3的泵浦区生热并以热传导的方式将热量传递给热沉，而肋基1下表面及由肋片2形成的扩展表面则通过射流冲击冷却进行换热；热沉的肋片增加了对流换热的表面积，加快了换热速率；肋片2还从结构上增加了整个热沉的强度，且起到了分散射流压力的作用，可以减小碟片的冲击变形；冲击完热沉的冷却工质通过喷管6与管套5之间的空间从出口8流出。

实施例4

如图13所示，是实施例4提供的热沉的俯视图，圆柱状肋片在肋基上非均匀的排列成圆形；如图14所示，所有圆柱状肋片的底面位于同一向外凸起的球面，形成凸面圆柱阵列；从图15可清楚的看出圆柱状肋片底面所在的凸面。

实施例4提供的热沉采用铜钨合金材料，在碟片激光器射流冲击冷却系统中的应用如图16所示，热沉上表面紧贴于碟片激光晶体3的背面，下表面对准由喷孔阵列4与喷管6组成的射流喷嘴，并由碟片激光器射流冲击冷却系统管套5将其包围封装起来；冷却介质在压力作用下从冷却介质入口7进入喷管6，通过喷孔阵列4之后形成射流阵列，直接冲击到热沉的下表面；碟片激光晶体3的泵浦区生热并以热传导的方式将热量传递给热沉，而肋基1下表面及由肋片2形成的扩展表面则通过射流冲击冷却进行换热；热沉的肋片增加了对流换热的表面积，加快了换热速率；肋片2还从结构上增加了整个热沉的强度，且起到了分散射流压力的作用，可以减小碟片的冲击变形；冲击完热沉的冷却工质通过喷管6与管套5之间的空间从出口8流出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于碟片激光器射流冲击冷却系统的热沉，其特征在于，包括肋基和多个分布在肋基上的肋片；

所述肋基作为碟片激光晶体的载体，其一个端面作为热沉的顶面，用于固定碟片激光晶体；肋片的一端固定在肋基的另一个端面上，多个肋片同轴排列；肋片另一端所在的底面为热沉的底面；所述热沉的底面的整体面型为凸面或者凹面。

2.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述热沉采用无氧铜、金刚石或铜钨合金材料制成。

3.如权利要求1或2所述的热沉，其特征在于，所述肋片为圆柱状、棱柱状或圆锥状。

4.如权利要求1至3任一项所述的热沉，其特征在于，所述肋片在肋基上同轴向均匀排列成六边形。

5.如权利要求1至3任一项所述的热沉，其特征在于，所述肋片在肋基上同轴向非均匀的排列成圆形。

6.如权利要求1或2所述的热沉，其特征在于，所述肋片的截面面积小于1mm²，长度不大于5mm。

7.如权利要求1至6任一项所述的热沉，其特征在于，所述热沉应用于碟片激光器射流冲击冷却系统时，其肋基的直径与碟片激光晶体的封装尺寸匹配，热沉底面的整体面型与碟片激光晶体的封装面型匹配，当碟片激光晶体封装面型为凸面，采用底面整体面型为凸面的热沉，以防止冲击加重碟片激光晶体的畸变；当碟片激光晶体封装面型为平面，采用底面整体面型为凸面的热沉，以补偿射流冲击对碟片激光晶体造成的形变；当碟片激光晶体封装面型为凹面，采用底面整体面型为凹面的热沉，以通过射流冲击压力来补偿碟片激光晶体封装时所产生的凹面变形。