CN107453191A - 一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法，方法包括：按照预设蒸镀方法在板条增益介质表面镀光学膜；在镀上光学膜的板条增益介质的两个端头进行保护覆盖，并使用磁控溅射镀膜方法在进行保护覆盖后的板条增益介质的光学膜上镀金属膜；在镀上金属膜的板条增益介质的表面上使用金属增材制造方法制造散热结构，以得到具有散热结构的板条增益介质。本发明的一种具有散热结构的板条增益介质的制造方法，可以直接在板条增益介质表面制造出散热结构，并且可以对板条增益介质注入泵浦光的两个端头进行保护，制造工艺较为简单，易于实现，解决了现有技术的问题。

Description

一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法。

背景技术

固体激光器在工业加工、科学研究等领域有广泛的应用，板条增益介质由于冷却面大等结构上的优势，可以作为高功率、高光束质量的固体激光器采用的理想的增益介质之一。随着固体激光器输出功率提高，加剧了固体激光器的板条增益介质的多种热效应，例如，热温度梯度、热应力和热致双折射等。这些热效应会直接导致固体激光器的输出功率下降，进而造成光束质量变差，甚至导致板条增益介质炸裂。

为了减小热效应对固体激光器输出功率的影响，需要对板条增益介质进行散热，现有板条增益介质的主要散热方法有直接水冷散热和热沉水冷散热。直接水冷散热是将板条增益介质浸泡在冷却液中，冷却液流动将板条增益介质产生的废热带走。但是，使用水冷散热方法需要板条增益介质直接接触冷却液，容易对板条增益介质的表面造成污染，因此对冷却液的纯度要求很高。热沉水冷散热的方式是将板条增益介质和内部设计有散热结构的热沉焊接在一起，通过对热沉进行水冷却实现板条增益介质的散热。热沉的散热结构结构可以增加散热面积，提高冷却性能，但是，由于板条增益介质和热沉的焊接工艺难度较大，容易出现焊接空洞、虚焊，会导致板条增益介质在工作过程中散热不均匀、热畸变严重，直接影响高功率固体激光器的输出功率和光束质量。

发明内容

本发明提供一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法，用以解决现有技术的如下问题：现有的板条增益介质对散热使用的冷却液要求很高，导致成本较高，实现板条增益介质与散热结构相结合的焊接工艺复杂，容易导致板条增益介质热效应加剧，从而影响固体激光器输出功率和光束质量。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种具有散热结构的板条增益介质的制造方法，包括：按照预设蒸镀方法在板条增益介质表面镀光学膜；在镀上所述光学膜的所述板条增益介质的两个端头进行保护覆盖，并使用磁控溅设镀膜方法在进行保护覆盖后的所述板条增益介质的所述光学膜上镀金属膜；在镀上所述金属膜的所述板条增益介质的表面上使用金属增材制造方法制造散热结构，以得到具有散热结构的板条增益介质。

可选的，使用磁控溅射镀膜方法在进行保护覆盖后的所述板条增益介质的所述光学膜上镀金属膜，包括：将进行保护覆盖后的所述板条增益介质放入真空磁控溅射设备中，并抽真空至第一预定大气压；按照第一预设功率和第一预设时间向进行保护覆盖后的所述板条增益介质溅射金属钛；按照第二预设功率和第二预设时间向溅射所述金属钛的所述板条增益介质溅射金属铂；按照第三预设功率和第三预设时间向溅射所述金属铂的所述板条增益介质溅射金属金，以得到镀有所述金属膜的所述板条增益介质。

可选的，在镀上所述金属膜的所述板条增益介质的表面上使用金属增材制造方法制造散热结构，包括：将镀有所述金属膜的所述板条增益介质放入金属增材制造设备中，按照第四预设功率、预设扫描速度和预设的每个散热结构的当量直径对镀上所述金属膜的所述板条增益介质的表面进行扫描，以得到所述具有散热结构的板条增益介质。

可选的，得到具有散热结构的所述板条增益介质之后，还包括：按照所述第四预设功率、所述预设扫描速度、预设的封装壳体厚度和预设的封装壳体尺寸对具有所述散热结构的板条增益介质进行扫描，以得到具有封装结构的板条增益介质。

另一方面，本发明还提供一种具有散热结构的板条增益介质，通过上述具有散热结构的板条增益介质的制造方法制造得到，包括：板条增益介质、光学膜、金属膜和多个散热结构；其中，所述光学膜设置在所述板条增益介质上；所述金属膜设置在除覆盖有所述光学膜的所述板条增益介质的两个端头位置之外的所有位置；每个所述散热结构均设置在覆盖有所述金属膜的所述板条增益介质上。

可选的，所述的具有散热结构的板条增益介质，还包括：壳体，设置在具有散热结构的所述板条增益介质上，包裹除所述两个端头位置之外的所有位置。

可选的，所述金属膜从靠近所述光学膜至远离所述光学膜的方向上，依次为钛膜、铂膜和金膜。

可选的，所述板条增益介质的所述光学膜的厚度范围为2微米至5微米。

可选的，所述钛膜厚度的范围为100纳米至300纳米，所述铂膜的厚度范围为100纳米至300纳米，所述金膜厚度范围为300纳米至800纳米。

可选的，所述散热结构的当量直径的范围为10微米至1000微米。

本发明提供的一种具有散热结构的板条增益介质的制造方法，可以直接在板条增益介质表面制造出散热结构，并且可以对板条增益介质注入泵浦光的两个端头进行保护，制造工艺较为简单，易于实现。采用上述方法制造出的具有散热结构的板条增益介质，可以直接进行水冷又可以避免增益介质在散热过程中受到冷却液污染，散热结构可以有效扩大散热面积，热阻较小，散热效率较高，有利于获得质量较高的激光光束，解决了现有技术的如下问题：现有的板条增益介质对散热使用的冷却液要求很高，导致成本较高，实现板条增益介质与散热结构相结合的焊接工艺复杂，容易导致板条增益介质热效应加剧，从而影响固体激光器输出功率和光束质量。

附图说明

图1是本发明第一实施例中制造方法的流程图；

图2是本发明第二实施例中制造方法的流程图；

图3是本发明第二实施例中具有散热结构的板条增益介质俯视示意图；

图4是本发明第二实施例中沿图3中A-A线的剖视图；

图5是本发明第二实施例中封装后的具有散热结构的板条增益介质的俯视示意图；

图6是本发明第二实施例中沿图5中B-B线的剖视图。

具体实施方式

为了解决现有技术的如下问题：现有的板条增益介质对散热使用的冷却液要求很高，导致成本较高，且实现板条增益介质与散热结构相结合的焊接工艺复杂，容易导致板条增益介质热效应加剧，从而影响固体激光器输出功率和光束质量。一方面，本发明第一实施例提供了一种具有散热结构的板条增益介质的制造方法，该方法的流程图如图1所示，包括步骤S102至S106：

S102，按照预设蒸镀方法在板条增益介质表面镀光学膜；

S104，在镀上光学膜的板条增益介质的两个端头进行保护覆盖，并使用磁控溅射镀膜方法在进行保护覆盖后的板条增益介质的光学膜上镀金属膜；

S106，在镀上金属膜的板条增益介质的表面上使用金属增材制造方法制造散热结构，以得到具有散热结构的板条增益介质。

为了保证制造出的板条增益介质具有较高的散热效率，在使用磁控溅射镀膜方法在进行保护覆盖后的板条增益介质的光学膜上镀金属膜时，是将进行保护覆盖后的板条增益介质放入现有技术中已有的真空磁控溅射设备中，在放入到该真空磁控溅射设备之后，需要对真空磁控溅射设备的参数进行设置，具体包括：抽真空至第一预定大气压，按照第一预设功率和第一预设时间向进行保护覆盖后的板条增益介质溅射金属钛，再按照第二预设功率和第二预设时间向溅射金属钛的板条增益介质溅射金属铂，随后按照第三预设功率和第三预设时间向溅射金属铂的板条增益介质溅射金属金，以得到镀有金属膜的板条增益介质。

例如，将进行保护覆盖后的板条增益介质放入真空磁控溅射设备中，第一预定大气压设置为4×10^-3Pa。溅射金属钛时，第一预设功率设置为1000W，第一预设时间设置为2分钟，生成钛膜。溅射金属铂时，第二预设功率设置为600W，第二预设时间设置为2分钟，生成铂膜。溅射金属金时，第三预设功率设置为600W，第三预设时间为5分钟，生成金膜。按上述参数制造的金属膜，可以使板条增益介质具有较高的散热效率。

在板条增益介质镀上金属膜后，为保证具有散热结构的板条增益介质具有的散热结构符合预期设计，需要对散热结构制造过程中的参数进行设置。实现时，将镀有金属膜的板条增益介质放入金属增材制造设备之后，按照第四预设功率、预设扫描速度和预设的每个散热结构的当量直径对镀上金属膜的板条增益介质的表面进行扫描，以得到具有散热结构的板条增益介质。

例如，将镀有金属膜的板条增益介质放入金属增材制造设备中，将第四预设功率设置为3.8KW，预设扫描速度设置为3.4m/s，预设的每个散热结构的当量直径为120微米。按照上述参数制造的散热结构，具有较高的散热效率，并且制作简单，便于批量生产。

为保护具有散热结构的板条增益介质，并使其便于安装在固体激光器中，还需要对具有散热结构的板条增益介质进行封装，具体还包括：按照第四预设功率、预设扫描速度、预设的封装壳体厚度和预设的封装壳体尺寸对具有散热结构的板条增益介质进行扫描，以得到具有封装结构的板条增益介质。

例如，将第四预设功率设置为3.8KW，预设扫描速度设置为3.4m/s，预设的封装壳体厚度设置为5毫米，预设的封装壳体尺寸设置为高20毫米，宽80毫米，长132毫米。采用上述参数设置制造的封装壳体，可以保护板条增益介质的散热结构，同时避开板条增益介质用于注入泵浦光的两个端头，而且可以保证较好的封装强度。

另一方面，本发明第一实施例还提供了一种具有散热结构的板条增益介质，该具有散热结构的板条增益介质是通过上述制造方法制造得到，该板条增益介质具体包括：板条增益介质、光学膜、金属膜和多个散热结构；其中，光学膜设置在板条增益介质上；金属膜设置在除覆盖有光学膜的板条增益介质的两个端头位置之外的所有位置；每个散热结构均设置在覆盖有金属膜的板条增益介质上。

为保护具有散热结构的板条增益介质，并使其便于安装在固体激光器中，还需要对具有散热结构的板条增益介质进行封装，即设置具有保护功能的壳体，该壳体具体设置在具有散热结构的板条增益介质上，包裹除两个端头位置之外的所有位置。封装可以保护板条增益介质的散热结构，同时避开板条增益介质用于注入泵浦光的两个端头，而且可以保证较好的封装强度。

为保证具有散热结构的板条增益介质的散热效率，板条增益介质镀上的金属膜要按特定次序排列，具体是指：从靠近光学膜至远离光学膜的方向上，依次为钛膜、铂膜和金膜。

为保证具有散热结构的板条增益介质输出的光束质量，需要对板条增益介质上所镀的光学膜的厚度单位进行设置。在本实施例中，将光学膜的厚度范围设置为2微米至5微米。

为保证具有散热结构的板条增益介质的散热效率，需要对金属膜中的钛膜、铂膜和金膜的厚度范围进行设置。在本实施例中，钛膜厚度的范围为100纳米至300纳米，铂膜的厚度范围为100纳米至300纳米，金膜厚度范围为300纳米至800纳米。

为了在使用水冷散热方法对本实施例的板条增益介质进行散热时，能够获得良好的散热效果，需要对散热结构的当量直径范围进行设置。在本实施例中，将散热结构的当量直径的范围为10微米至1000微米。

本发明第一实施例提供的一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法，该方法可以直接在板条增益介质表面制造出散热结构，并且可以对板条增益介质注入泵浦光的两个端头进行保护，制造工艺较为简单，易于实现。采用上述方法制造出的具有散热结构的板条增益介质，可以直接进行水冷又可以避免增益介质在散热过程中受到冷却液污染，散热结构可以有效扩大散热面积，热阻较小，散热效率较高，有利于获得质量较高的激光光束，解决了现有技术的如下问题：现有的板条增益介质对散热使用的冷却液要求很高，导致成本较高，实现板条增益介质与散热结构相结合的焊接工艺复杂，容易导致板条增益介质热效应加剧，从而影响固体激光器输出功率和光束质量。

本发明第二实施例提供了一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法，其中的散热结构和封装壳体采用金属增材制造方法进行制造。该板条增益介质的散热结构可以扩大板条增益介质的散热面积，而且每一个散热结构都具有尺寸效应，热阻小，换热效率较高。封装壳体可以露出注入泵浦光的板条增益介质的两个端头，方便板条增益介质在固体激光器中安装，并且可以保证板条增益介质的封装强度，保护具有散热结构的板条增益介质。

本实施例提供的一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法，通过该方法制造的板条增益介质实现了板条增益介质直接水冷进行散热，同时避免注入泵浦的两个端头受到冷却液污染，散热结构可以显著提高散热效率，从而可以提高板条增益介质的输出功率和输出光束质量。此外，该方法可以精确控制封装壳体的体积和质量，从而可减小固体激光器的体积和质量，有利于获得结构紧凑、输出功率较大的固体激光器。

本发明的技术方案如下：

一种具有散热结构的板条增益介质的制造方法，该方法的流程图如图2所示，包括步骤S202至S206：

S202，将板条增益介质放入蒸镀设备中，在板条增益介质表面镀光学膜；

S204，在镀上光学膜的板条增益介质的两个端头用高温胶带进行保护覆盖后，将板条增益介质放入真空磁控溅射设备，在板条增益介质的光学膜上镀金属膜；

S206，将镀上金属膜的板条增益介质放入金属增材制造设备中，在镀上金属膜的板条增益介质上使用金属增材制造方法制造散热结构和封装壳体，以得到封装后的具有散热结构的板条增益介质。

为保证制造出的具有散热结构的板条增益介质具有良好的散热效率，在具体实现时，可以对具有散热结构的板条增益介质的参数进行如下设置：

板条增益介质可选择的材料有：Nd:YAG板条激光晶体、Nd:YAG板条激光陶瓷、Yb:YAG板条激光晶体、Yb:YAG板条激光陶瓷、Nd:YVO₄板条激光晶体、Nd:GdVO₄板条激光晶体、Nd:YLF板条激光晶体和Yb:YLF板条激光晶体等。

板条增益介质可选择的尺寸范围为：厚度1毫米至3毫米，宽度5毫米至50毫米，长度10毫米至200毫米。

在板条增益介质表面所镀的光学膜为二氧化硅膜，光学膜厚度范围设置为2微米至5微米。

板条增益介质的注入泵浦两个端头不镀金属膜。

板条增益介质上的金属膜从靠近光学膜至远离光学膜的方向上，依次为钛膜、铂膜和金膜。其中钛膜厚度范围设置为100纳米至300纳米，铂膜厚度范围设置为100纳米至300纳米，金膜厚度范围设置为300纳米至800纳米。

金属增材制造散热结构和封装壳体的过程中，金属增材制造使用的材料是铝镁合金，每个散热结构的当量直径范围设置为10微米至1000微米，封装壳体厚度范围设置为3毫米至5毫米，金属增材制造的使用的激光功率的范围设置为2.8KW至7.8KW，金属增材制造的扫描速度范围设置为2.0m/s至6.0m/s。

以下通过实例及附图，对本实施例进行说明。

实例1

本实例中，板条增益介质的材料为Nd:YAG板条激光晶体(相当于本发明第一实施例中的板条增益介质)，Nd:YAG板条激光晶体的尺寸设置为：厚度3毫米、宽度40毫米、长度140毫米。具有散热结构的板条增益介质的制造过程如下：

首先，将板条增益介质放入蒸镀设备中，设置抽真空至预定压力，在本实例中抽真空至4×10^-3Pa，设置蒸发功率为800W，时间20分钟，光学膜厚度为3微米。

其次，将镀有光学膜的板条激光晶体的两个端头上，厚度0至4毫米范围和宽度0至40毫米范围形成的区域表面用高温胶带做保护处理后，放入真空磁控溅射设备，抽真空至4×10^-3Pa(相当于本发明第一实施例中的第一预定大气压)，设置金属钛的溅射功率为1000W(相当于本发明第一实施例中的第一预设功率)，时间2分钟(相当于本发明第一实施例中的第一预设时间)；金属铂的溅射功率为600W(相当于本发明第一实施例中的第二预设功率)，时间2分钟(相当于本发明第一实施例中的第二预设时间)；金属金的溅射功率为600W(相当于本发明第一实施例中的第三预设功率)，时间5分钟(相当于本发明第一实施例中的第三预设时间)，在Nd:YAG板条激光晶体的光学膜上依次镀钛膜、铂膜和金膜。在本实例中，获得的钛膜厚度为300纳米，铂膜厚度为300纳米，金膜厚度为800纳米。

再次，将镀上金属膜的Nd:YAG板条激光晶体放入金属增材制造设备中，将参数进行如下设置：金属增材制造的激光功率为3.8KW(相当于本发明第一实施例中的第四预设功率)，扫描速度为3.4m/s(相当于本发明第一实施例中的预设扫描速度)，每个散热结构的当量直径为120微米(相当于本发明第一实施例中预设的每个散热结构的当量直径)，按照设置的参数进行板条增益介质的散热结构的金属增材制造，得到具有散热结构的板条增益介质。具有散热结构的板条增益介质俯视示意图如图3所示，其中，1为板条增益介质的散热结构，2为板条增益介质；具有散热结构的板条增益介质沿图3中A-A线的剖视示意图如图4所示。

最后，将具有散热结构的板条增益介质放入金属增材制造设备中，将参数进行如下设置：封装壳体厚度为5毫米(相当于本发明第一实施例中预设的封装壳体厚度)，封装壳体外尺寸(相当于本发明第一实施例中预设的封装壳体尺寸)为：厚度20毫米、宽度80毫米、长度132毫米。按照设置的参数进行板条增益介质的封装结构的金属增材制造，得到具有封装结构和散热结构的板条增益介质。封装后的具有散热结构的板条增益介质的俯视示意图如图5所示，其中，1为板条增益介质的散热结构，2为板条增益介质，3为封装壳体；封装后的具有散热结构的板条增益介质沿图5中的B-B线的剖视示意图如图6所示。

实例2

本实例中，板条增益介质的材料为Nd:YAG板条激光陶瓷，尺寸设置为：厚度3毫米、宽度30毫米、长度180毫米。具有散热结构的板条增益介质的制造过程如下：

首先，将板条增益介质放入蒸镀设备中，设置抽真空至预定压力，在本实例中抽真空至4×10^-3Pa，设置蒸发功率为800W，时间20分钟，光学膜厚度为3微米。

其次，将镀光学膜的板条激光陶瓷两个端头上，厚度0至5毫米范围和宽度0至30毫米范围形成的区域表面用高温胶带做保护处理后，放入真空磁控溅射设备，抽真空至4×10^-3Pa，设置金属钛的溅射功率为1000W，时间1.5分钟；金属铂的溅射功率为600W，时间2分钟；金属金的溅射功率为600W，时间4分钟，在Nd:YAG板条激光晶体的光学膜上依次镀钛膜、铂膜和金膜。在本实例中，获得钛膜厚为200纳米，铂膜厚为300纳米，金膜厚为500纳米。

再次，将镀上金属膜的Nd:YAG板条激光陶瓷放入金属增材制造设备中，将参数进行如下设置：金属增材制造的激光功率为4.2KW，扫描速度为3.8m/s，每个散热结构的当量直径为240微米，按照设置的参数进行板条增益介质的散热结构的金属增材制造，得到具有散热结构的板条增益介质。

最后，将具有散热结构的板条增益介质放入金属增材制造设备中，将参数进行如下设置：封装壳体厚度为6毫米，封装壳体外尺寸为：厚度20毫米、宽度80毫米、长度170毫米。按照设置的参数进行板条增益介质的封装结构的金属增材制造，得到具有封装结构和散热结构的板条增益介质。

本实施例提供的一种具有散热结构的板条增益介质及其制造方法，实现了板条增益介质直接水冷进行散热，同时避免注入泵浦的两个端头受到冷却液污染，散热结构可以显著提高散热效率，从而可以提高板条增益介质的输出功率和输出光束质量。此外，该方法可以精确控制封装壳体的体积和质量，从而可减小固体激光器的体积和质量，有利于获得结构紧凑、输出功率较大的固体激光器。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种具有散热结构的板条增益介质的制造方法，其特征在于，包括：

按照预设蒸镀方法在板条增益介质表面镀光学膜；

在镀上所述光学膜的所述板条增益介质的两个端头进行保护覆盖，并使用磁控溅射镀膜方法在进行保护覆盖后的所述板条增益介质的所述光学膜上镀金属膜；

在镀上所述金属膜的所述板条增益介质的表面上使用金属增材制造方法制造散热结构，以得到具有散热结构的板条增益介质。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用磁控溅射镀膜方法在进行保护覆盖后的所述板条增益介质的所述光学膜上镀金属膜，包括：

将进行保护覆盖后的所述板条增益介质放入真空磁控溅射设备中，并抽真空至第一预定大气压；

按照第一预设功率和第一预设时间向进行保护覆盖后的所述板条增益介质溅射金属钛；

按照第二预设功率和第二预设时间向溅射所述金属钛的所述板条增益介质溅射金属铂；

按照第三预设功率和第三预设时间向溅射所述金属铂的所述板条增益介质溅射金属金，以得到镀有所述金属膜的所述板条增益介质。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在镀上所述金属膜的所述板条增益介质的表面上使用金属增材制造方法制造散热结构，包括：

将镀有所述金属膜的所述板条增益介质放入金属增材制造设备中，按照第四预设功率、预设扫描速度和预设的每个散热结构的当量直径对镀上所述金属膜的所述板条增益介质的表面进行扫描，以得到所述具有散热结构的板条增益介质。

4.如权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，得到具有散热结构的所述板条增益介质之后，还包括：

按照所述第四预设功率、所述预设扫描速度、预设的封装壳体厚度和预设的封装壳体尺寸对具有所述散热结构的板条增益介质进行扫描，以得到具有封装结构的板条增益介质。

5.一种具有散热结构的板条增益介质，通过权利要求1至4中任一项所述的具有散热结构的板条增益介质的制造方法制造得到，其特征在于，包括：

板条增益介质、光学膜、金属膜和多个散热结构；其中，

所述光学膜设置在所述板条增益介质上；

所述金属膜设置在除覆盖有所述光学膜的所述板条增益介质的两个端头位置之外的所有位置；

每个所述散热结构均设置在覆盖有所述金属膜的所述板条增益介质上。

6.如权利要求5所述的具有散热结构的板条增益介质，其特征在于，还包括：壳体，设置在具有散热结构的所述板条增益介质上，包裹除所述两个端头位置之外的所有位置。

7.如权利要求5所述的具有散热结构的板条增益介质，其特征在于，所述金属膜从靠近所述光学膜至远离所述光学膜的方向上，依次为钛膜、铂膜和金膜。

8.如权利要求5所述的具有散热结构的板条增益介质，其特征在于，所述板条增益介质的所述光学膜的厚度范围为2微米至5微米。

9.如权利要求5所述的具有散热结构的板条增益介质，其特征在于，

所述钛膜厚度的范围为100纳米至300纳米，所述铂膜的厚度范围为100纳米至300纳米，所述金膜厚度范围为300纳米至800纳米。

10.如权利要求5至9中任一项所述的具有散热结构的板条增益介质，其特征在于，所述散热结构的当量直径的范围为10微米至1000微米。