CN106329294B - 一种二极管泵浦激光模块晶体棒 - Google Patents

一种二极管泵浦激光模块晶体棒 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二极管泵浦激光模块晶体棒，包括晶体棒、底座和设置在底座底面的冷却机构，沿着晶体棒设置方向在所述底座上设置有若干个与底座顶面连接的凸起部，沿着晶体棒设置方向的凸起部两侧分别设置有模块环，所述每一个凸起部上设置有棒热沉，所述晶体棒穿过每一个模块环和棒热沉，且所述棒热沉的与晶体管固定连接为一体，所述每一个棒热沉的上面设置有一个压块，压块将棒热沉压在凸起部上；由于晶体棒是直接与棒热沉焊接成一体，焊料与晶体棒充分接触，更好的将热量导到棒热沉，减少了晶体棒由于受热不均造成的热应力，改善了其输出光斑均匀性。

Description

一种二极管泵浦激光模块晶体棒
技术领域
本发明属于半导体激光技术领域，具体针对一种全固态冷却的二极管泵浦激光模块（简称模块），涉及该种模块的晶体棒的封装方法。
背景技术
二极管泵浦激光模块是固体激光系统中至关重要的组成部分。二极管泵浦激光模块的冷却方式，主要有液冷和固态冷却等。液冷一般是将晶体棒浸入在某种液体里进行冷却，而固态冷却一般是通过热沉直接接触晶体棒，然后通过半导体制冷片带走热沉上的热量，本发明描述的二极管泵浦激光模块采用的是全固态冷却方式。
按照传统方法将晶体棒与棒热沉直接接触，通过压块压紧棒热沉和晶体棒，将晶体棒上的热量通过热传导到热沉上，进而传导到模块底座上，最后通过半导体制冷片与风扇结合的方式带走模块底座上的热量。通过试验发现此种方式存在如下几点问题：
1、上半部分棒热沉与底座隔离，其热量无法传导到底座，导致晶体棒的上下方向导热不均匀，致使模块输出光斑均匀性较差。
2 、在高频工作时，平均功率高，晶体棒的热量不易导走，导致模块出光效率急剧降低。
3 、由于晶体棒是通过两段夹持的，晶体棒上会产生较大的夹持应力，受热后还会添加不均匀的热应力，从而加剧了模块输出光斑不均匀性。
4 、晶体棒的夹持力不易控制，若晶体棒夹持得较紧，那么模块晶体棒上会存在较大的夹持应力；反之，又会存在受振动冲击后晶体棒轴向滑动的风险。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上问题，提升模块输出光斑均匀性和出光效率，提供一种二极管泵浦激光模块晶体棒以及封装方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二极管泵浦激光模块晶体棒，包括晶体棒、底座和设置在底座底面的冷却机构，沿着晶体棒设置方向在所述底座上设置有若干个与底座顶面连接的凸起部，沿着晶体棒设置方向的凸起部两侧分别设置有模块环，每一个凸起部上设置有棒热沉，所述晶体棒穿过每一个模块环和棒热沉，且所述棒热沉与晶体棒固定焊接连接为一体，所述每一个棒热沉的上面设置有一个压块，压块将棒热沉压在凸起部上，模块环的侧面与凸起部、压块、棒热沉的同一侧面紧密接触。
在上述技术方案中，所述棒热沉为圆柱体结构，棒热沉的圆心处具有通孔用于穿过晶体棒。
在上述技术方案中，圆形的棒热沉由两个半剖柱体的棒热沉组合而成。
在上述技术方案中，与所述棒热沉接触的凸起部的面上设置有一个内凹的槽，与所述棒热沉接触的压块的面上设置有一个内凹的槽。
在上述技术方案中，所述凸起部上的凹槽与所述棒热沉上凹槽均为弧形槽，且弧度与棒热沉的外圆弧度一致。
在上述技术方案中，所述一个棒热沉的两端各自插入到凸起部和压块的凹槽内。
在上述技术方案中，所述模块环的底面通过穿过底座的螺钉与底座表面连接。
一种二极管泵浦激光模块晶体棒的封装方法：
首先将晶体棒上与棒热沉连接的位置进行表面处理，然后将晶体棒穿过棒热沉，使得晶体棒上进行处理后的位置与棒热沉接触；
接下来，采用柔性导热焊料焊接方式将晶体棒与棒热沉焊接为一体，然后在棒热沉两侧分别用晶体棒穿过一个模块环；
重复上面的过程使得晶体棒穿过多个模块环和棒热沉；
将棒热沉插入到底座上的凸起部凹槽内，然后利用螺钉穿过底座的将模块环固定连接在底座上；
最后将压块的凹槽扣在棒热沉上，对晶体棒进行压紧，完成封装。
在上述方法中，对晶体棒表面采用金属化处理，增强柔性导热焊料与晶体棒的亲和力，所述柔性导热焊料为铟焊料。
采用本发明的二极管泵浦激光模块晶体棒的封装方法，有以下优点：
1、由于棒热沉为整体圆柱焊接在晶体棒上，所以晶体棒圆周方向冷却均匀，减少了晶体棒由于受热不均造成的热应力，改善了其输出光斑均匀性。
2 、由于晶体棒是直接与棒热沉焊接成一体，焊料与晶体棒充分接触，更好的将热量导到棒热沉，使得模块满足较高频率，较高平均功率的工作模式。
3 、由于上压块夹持的是圆柱状的棒热沉，棒热沉具有一定的刚度，没有将力传到晶体棒上，从而削减了晶体棒的夹持应力。同时大大降低了对模块底座两段圆柱孔的同轴度加工精度要求以及安装人员夹持力的控制要求。
4 、由于晶体棒是直接与棒热沉焊接成一体的，连接牢固可靠，不会担心棒热沉受振动冲击后存在轴向滑动的问题。
通过试验证明，该方法大大改善了模块输出光斑质量和出光效率，满足目前产品的技术指标要求。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构侧视图；
其中：1是底座，2是模块环，3是晶体棒，4是棒热沉，5是压块。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图所示，本发明采用的二极管泵浦激光模块晶体棒的封装结构与现有的封装结构完全不一样，首先考虑到晶体棒的热传导问题，为了解决晶体棒整个表面能均压的将棒体上的热都传递出去，因此需要围着晶体棒的表面均与热传导结构接触。因此本发明设计了一个具有圆孔的棒热沉，将晶体棒穿过棒热沉的圆孔，这样就使得棒热沉和晶体棒能全面接触，对于晶体帮的接触段，晶体棒上的热量就能均压的通过棒热沉传导出去，这样的设置可以使得晶体棒散热均压。
当然为了保证晶体棒与棒热沉能完全接触，两者之间不能有任何间隙，避免因为出现间隙给晶体棒带来散热不均的不良效果，因此要对晶体棒与棒热沉之间采用焊接的方式将两者固定在一起，保证两者之间能完全接触。
当然，为了能使得晶体棒与棒热沉的可靠焊接，我们将棒热沉设计成有由两块组合而成的棒热沉，棒热沉中间的圆孔也一分为二，这样的话想进晶体棒与一个棒热上半圆孔沉焊接后，在将另一个棒热沉的半圆孔进行焊接，保证焊接的完整性。
棒热沉具有优良的热传导率，因此一般都为金属，金属本身的重量会对晶体棒表面产生一定的压力，从而导致晶体棒上的挤压应力产生，为了避免这一情况的产生，首先在晶体棒与棒热沉之间的焊接时采用柔性焊料进行焊接，一般情况下采用铟焊料进行焊接；这样做的好处使得热沉棒与晶体棒之间能通过铟焊料进行一个作用力的缓冲，又能保证晶体棒与棒热沉的完全焊接，减小应力对晶体棒的影响。
进一步的，为了减小棒热沉对晶体棒的挤压应力，将整个棒热沉外形设计成圆形结构，总所周知在同等周长的情况下，圆是所有几何图形中面积最大的，因此圆形结构与外部接触的面积也是最大的。在这种情况下，棒热沉与外部结构接触越大，那么散热效果就越好。而为了增加圆形棒热沉与底座的接触面积，将底座凸起部上设置一个弧形的内凹槽，内凹槽的弧度与圆形棒热沉的弧度一致，这样的话讲棒热沉设置在凹槽内不但能起到固定棒热沉的作用，还能起到增加棒热沉与底座接触面积的作用，使得棒热沉通过底座散热的效果更好。
在对于整个二极管泵浦激光模块晶体棒，每个棒热沉两侧的晶体棒上套有一个模块环，模块环通过螺钉与底座的表面进行固定连接，而模块环是由泵浦激光二极管和冷却器组成，冷却器的内腔为正N边形长方体铜块结构，N个泵浦激光二极管均布于冷却器的N个内腔面上，集中向中心的晶体棒泵浦，最后由晶体棒的两端出光。
最后在每一个棒热沉上加一个压块，压块的结构与底座上的凸起部的结构一致，也设置有凹槽，凹槽套在棒热沉上用于增加棒热沉与压块之间的接触面，因为整个棒热沉为圆柱形，压块通过凹槽压在棒热沉上，棒热沉圆形的结构可以均匀的分解压力，减小作用力集中后对晶体棒的影响。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种二极管泵浦激光模块晶体棒，包括晶体棒、底座和设置在底座底面的冷却机构，其特征在于：沿着晶体棒设置方向在所述底座上设置有若干个与底座顶面连接的凸起部，沿着晶体棒设置方向的凸起部两侧分别设置有模块环，每一个凸起部上设置有棒热沉，所述晶体棒穿过每一个模块环和棒热沉，且所述棒热沉与晶体棒固定焊接连接为一体，所述每一个棒热沉的上面设置有一个压块，压块将棒热沉压在凸起部上，模块环的侧面与凸起部、压块、棒热沉的同一侧面紧密接触。
2.根据权利要求1所述的一种二极管泵浦激光模块晶体棒，其特征在于所述棒热沉为圆柱体结构，棒热沉的圆心处具有通孔用于穿过晶体棒。
3.根据权利要求2所述的一种二极管泵浦激光模块晶体棒，其特征在于圆形的棒热沉由两个半剖柱体的棒热沉组合而成。
4.根据权利要求1所述的一种二极管泵浦激光模块晶体棒，其特征在于与所述棒热沉接触的凸起部的面上设置有一个内凹的槽，与所述棒热沉接触的压块的面上设置有一个内凹的槽。
5.根据权利要求4所述的一种二极管泵浦激光模块晶体棒，其特征在于所述凸起部上的凹槽与所述棒热沉上凹槽均为弧形槽，且弧度与棒热沉的外圆弧度一致。
6.根据权利要求3或5所述的一种二极管泵浦激光模块晶体棒，其特征在于所述一个棒热沉的两端各自插入到凸起部和压块的凹槽内。
7.根据权利要求1所述的一种二极管泵浦激光模块晶体棒，其特征在于所述模块环的底面通过穿过底座的螺钉与底座表面连接。
8.如权利要求1所述二极管泵浦激光模块晶体棒的封装方法，其特征在于：
首先将晶体棒上与棒热沉连接的位置进行表面处理，然后将晶体棒穿过棒热沉，使得晶体棒上进行处理后的位置与棒热沉接触；
接下来，采用柔性导热焊料焊接方式将晶体棒与棒热沉焊接为一体，然后在棒热沉两侧分别用晶体棒穿过一个模块环；
重复上面的过程使得晶体棒穿过多个模块环和棒热沉；
将棒热沉插入到底座上的凸起部凹槽内，然后利用螺钉穿过底座的将模块环固定连接在底座上；
最后将压块的凹槽扣在棒热沉上，对晶体棒进行压紧，完成封装。
9.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于对晶体棒表面采用金属化处理，增强柔性导热焊料与晶体棒的亲和力，所述柔性导热焊料为铟焊料。
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