CN106816804B - 一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置，包括碟状激光器晶体，金属泡沫，微通道板水循环系统构成。其中金属泡沫孔隙直径为0.5mm以内，材质选择铜钨材料。本发明的优势在于巧妙地的将泡沫金属冷却装置引入到碟状激光器晶体背向冷却领域，同时充分将金属泡沫的结构特点与微通道水循环系统相互结合，使冷却水能够均匀的对碟片晶体进行冷却，使得晶体的冷却效率得到了极大的提升。

Description

一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置

技术领域

本发明涉及碟状激光器晶体冷却领域，具体涉及到一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置领域。

背景技术

Yb:YAG碟片激光器近年来已成为最热门的高功率固体激光器之一，并且具有良好的发展前景。Yb:YAG晶体具有吸收带宽、荧光寿命长、量子效率高的良好激光性能；碟状激光器晶体几何结构上的革命性设计理念，又使得其具备冷却速度快、散热性能好、光束转换效率高、光束质量好、运作成本低等诸多优点。Yb:YAG晶体的良好激光性能与碟片晶体的创新理念正是Yb:YAG碟片激光器取得成功的关键。但即使是Yb:YAG晶体在其工作时也仍会产生热；而碟片激光器革命性的设计也给其热透镜效应带来了新的特点。热透镜效应仍是Yb:YAG碟片激光器发展道路上无法回避的问题。另外碟片激光器的研究方向大致为串联大功率碟片激光器或者调Q锁模脉冲式激光器。目前为止针对于小孔径高能量密度的脉冲式碟片激光器具有很大的应用前景和市场，所以急需一种特别是一种高效率的冷却装置，将碟片激光器因热透镜效应产生的光束质量差，稳定性差等制约碟片激光器性能的因素进行进一步降低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置，通过交替的进出水微通道板水循环系统，将去离子水以一定速度和扬程喷射入泡沫金属内部，巧妙的利用泡沫金属的结构特性，使去离子水冷与碟片晶体热交换的时间大大增加，提高了热交换的效率。相较于传统直冲式水冷却系统，其导热效率获得了巨大的提升，为大功率激光器输出的光束质量奠定了良好的基础。

本发明采取的技术方案为：

本发明涉及一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置，包括碟状激光器晶体，金属泡沫，微通道板水循环系统构成。

所述的金属泡沫散热系统焊接于热沉面上，于金属泡沫内部孔隙率直径为小于0.5mm以内。于铜钨管体筒内侧焊接为一体结构，同时于铜钨圆筒内侧下方密闭处紧密贴合。

于金属泡沫上方开口预留0.5mm空气间隙，用于防止泡沫金属边缘阻塞微通道板进出水口。

微通道集束铜管系统采用交替式进出水孔设计，微通道板冷却水通过矩形进水孔道随着压力冲入泡沫金属内部孔隙，孔隙内部冷却水于底部晶体热源接触，吸收热量后在水压的作用下通过出水孔排出，通过泡沫金属的结构特点，大大延长了冷却水和碟片晶体的热交换时间。

同时，冷却水吸收热量后部分水发生气化，产生向上推力，加快热水出水速度，大大加大了回水冷却效率。

铜钨壳体为上端开口下端密闭的中空圆筒，铜钨壳体圆筒的密闭端面外部与碟状激光器晶体通过低温真空共晶焊焊接为一体结构，铜钨壳体筒内部将金属泡沫焊接在筒内壁，在预留间隔之上0.5mm空气间隔处将微通道板焊接其上，于微通道板上放连接出入水口。

本发明具有以下优势：

本发明属于激光器晶体冷却领域，叙述了一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置，通过巧妙的利用金属泡沫的物理性质—具有致密且均匀的可控空隙孔径，通过增加热交换时间，大大提升了散热效率。另外，通过微通道板出入水设计，可以将水更加均匀的分布于晶体背向从而对晶体进行均匀冷却；由于水与背向晶体冷却接触面积小，部分水分子气化为水蒸汽，液-气转换会带着更多的热量，从而进一步将晶体冷却效率提升。于减小碟状激光器晶体由于温度过高产生的热透镜效应，大大提升了碟片激光器的出光光束质量和系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置结构剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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。

如图1所示为本发明实施例一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置结构剖面图，具体包括1为矩形微通道出水口，2为矩形微通道进水口，3为铜钨制中空内筒，4为空气间隙，5为金属泡沫，6为碟片状激光器增益晶体。

铜钨壳体为上端开口下端密闭的中空圆筒，铜钨壳体圆筒的密闭端面外部与碟状激光器晶体通过低温真空共晶焊焊接为一体结构，铜钨壳体筒内部将金属泡沫焊接在筒内壁，在预留间隔之上0.5mm空气间隔处将微通道板通过低温真空共晶焊焊接其上，于微通道板上放连接出入水口实现水循环系统。

构成微通道板，上端开口，下端密闭的空心筒材质均采用铜钨合金；

微通道板下方与泡沫金属之间间隙为0.5mm；

微通道板厚度为3mm，泡沫金属厚度为2mm，碟片晶体厚度为1.3mm；

铜钨合金与晶体采用金铟真空低温共晶焊接；

本发明具体实施为：

外部水循环系统，将冷却水通过矩形微通道进水口(2),通过空气间隙(4)将水注满金属泡沫(5)，在水的压力作用下可以将整个金属泡沫(5)内的均匀孔隙充满，通过循环作用与碟状激光器晶体背向接触进行冷却。通过水压力的作用产生冷却水循环，将与碟状激光器晶体(6)中热交换后的高温度的水迅速通过出水孔排出，周而复始循环，进而达到使碟状激光器晶体(6)冷却的作用。

本发明通过巧妙的利用金属泡沫的均匀孔隙结构特点，以微通道将冷却水喷射进入金属泡沫中，由于泡沫金属优良的均匀孔隙设计结构特点，大大增加了冷却水与晶体直接接触时热量交换的时间，使得单位时间内换热效率增加，同时被加热的水由于和晶体背向接触后会产生气化，从液态变为气态进而能够带走更多的热量，通过水压作用送到出水口，从而可以有效的降低碟状激光器晶体的温度，有效减小热透镜效应的产生，提高激光器的稳定性和激光光束输出质量。本发明的优势在于巧妙地的将泡沫金属冷却装置引入到碟状激光器晶体背向冷却领域，同时充分将金属泡沫的结构特点与微通道水循环系统相互结合，使冷却水能够均匀的对碟片晶体进行冷却，使得晶体的冷却效率得到了极大的提升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微通道金属泡沫碟状激光器晶体冷却装置，其特征在于：包括金属泡沫，微通道板水循环系统，铜钨制壳体；

铜钨壳体(3)为上端开口下端封闭的中空圆筒，铜钨壳体圆筒的密闭端面底部和碟片状激光器增益晶体焊接形成一体结构，在圆筒内密闭端放置有泡沫金属，泡沫金属与管壁内侧焊接成为一体结构，在圆筒内泡沫金属的上方沿径向放置有微通道板，微通道板与泡沫金属之间沿轴向预留0.3-0.5mm的空气间隙（4），在圆筒内微通道板的上方沿轴设置有长方形档板，档板下端与微通道板密闭连接，档板左右二端与圆筒内壁面密闭连接，档板将圆筒的开口端和微通道板间的区域分隔成二个腔室，其中一个腔室的开口端作为入水口（2），另一个腔室的开口端作为出水口（1）；

铜钨壳体（3）中空圆筒筒壁为铜钨材质，金属泡沫（5）材质为铜钨材质。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：

空气间隙（4）用于防止微通道板入水口（2）和出水口（1）被泡沫边缘卡死，影响出回水。

3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：

微通道板上的孔隙为矩形，圆形微通道板的四周边缘与筒内壁面焊接固定，其与铜钨壳体（3）筒内侧焊接形成一体结构。

4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：

铜钨壳体（3）的下方密闭端与圆形碟片状激光器增益晶体（6）采用低温真空共晶焊接于一体结构；碟片状增益晶体为圆形薄片，铜钨壳体（3）圆筒与圆形碟片状激光器增益晶体（6）同轴设置，且铜钨壳体（3）圆筒的直径大于圆形碟片状激光器增益晶体（6）的直径。

5.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：

金属泡沫（5）为圆筒形状与铜钨壳体筒内壁采用低温真空共晶焊焊接于一体结构；圆形碟片状增益晶体为Yb：YAG材质的薄片热沉于铜钨壳体（3）的下端。

6.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：

在微通道板与金属泡沫（5）之间预留0.5mm空气间隙。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：铜钨壳体(3)的筒体内壁面与金属泡沫（5）、微通道板相焊接于一体结构；微通道板孔道形状为矩形形状，通过切割成为筒状结构焊接在铜钨壳体（3）内侧。

8.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：其中金属泡沫孔隙直径为0.5mm。

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