CN110459938B - 一种激光晶体封装及冷却结构 - Google Patents

一种激光晶体封装及冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光晶体封装及冷却结构，包括：晶体‑金刚石复合冷却结构包括一个激光晶体和四个金刚石热沉，其中，激光晶体的中间段为晶体掺杂区，激光晶体的两端为晶体非掺杂区，两端的晶体非掺杂区伸出液氮冷却腔，分别被第一晶体端头隔离腔和第二晶体端头隔离腔封装；四个金刚石热沉分别焊接在晶体的两个冷却侧面；晶体‑金刚石复合冷却结构为以激光晶体的厚度方向的中心面为对称面的上下对称结构，将液氮冷却腔分割为两个相互连通并对称的空腔；第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔为以激光晶体长度和厚度方向的中心面为对称面的左右、上下对称结构。

Description

一种激光晶体封装及冷却结构
技术领域
本发明涉及高功率电子器件的强化换热领域，尤其涉及一种激光晶体封装及冷却结构。
背景技术
自世界上第一台红宝石固态激光器诞生以来，世界各国的科研人员为提高激光输出功率和光束质量，将激光技术与其它各学科技术相结合，形成多个应用技术领域，大大推动了激光产业的快速发展。随着激光器功率水平不断提高和装置尺寸日益小型化，热效应已成为制约激光器输出功率与性能进一步提高的严重障碍，因此也受到了光学、材料学、结构力学、热力学等多学科科研工作者的重点关注。
在众多热管理方式中，微通道内单相流体的强制对流冷却的方式以其易于加工、稳定可靠、冷却效率高等优点成为实现激光晶体高效冷却的首选方式。然而，该冷却方式也存在着冷却工质流量需求大、系统复杂、功耗高等无法避免的应用缺陷，严重制约着固体激光器的小型化和高效化。
发明内容
本发明实施例提供一种激光晶体封装及冷却结构，用以解决现有技术中冷却工质流量需求大、系统复杂、功耗高等无法避免的应用缺陷，严重制约着固体激光器的小型化和高效化问题。
本发明实施例提供一种激光晶体封装及冷却结构，包括：
依次连接的第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔以及封装于第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、以及第二晶体端头隔离腔中的晶体-金刚石复合冷却结构。
所述晶体-金刚石复合冷却结构包括一个激光晶体和四个金刚石热沉，其中，所述激光晶体的中间段为晶体掺杂区，激光晶体的两端为晶体非掺杂区，两端的晶体非掺杂区伸出所述液氮冷却腔，分别被第一晶体端头隔离腔和第二晶体端头隔离腔封装；所述四个金刚石热沉分别焊接在所述晶体的两个冷却侧面；所述晶体-金刚石复合冷却结构为以所述激光晶体的厚度方向的中心面为对称面的上下对称结构，将所述液氮冷却腔分割为两个相互连通并对称的空腔；所述第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔为以激光晶体长度和厚度方向的中心面为对称面的左右、上下对称结构。
优选地，所述第一晶体端头隔离腔和所述第二晶体端头隔离腔的材料为不吸收泵浦光的石英玻璃。
优选地，所述第一晶体端头隔离腔和所述第二晶体端头隔离腔的上盖布置有抽真空孔。
优选地，所述液氮冷却腔的材料为导热系数小于0.035W/(m2K)的真空隔热板；
优选地，所述液氮冷却腔的左右两个侧面上开有封装晶体的长条形窄缝，窄缝高度与晶体的宽度相等，窄缝宽度与晶体的厚度相等，窄缝底端距离液氮冷却腔底部的高度为5mm-10mm；
优选地，所述液氮冷却腔的上盖中间位置设置有电磁自动泄压阀和抽真空孔；
优选地，与晶体冷却面相对的液氮冷却腔的两个腔壁上分别镶嵌有三个微型液氮喷淋器，其中四个正对金刚石热沉的中心区域，另外两个正对晶体的中间区域。
优选地，所述激光晶体的几何构型为板条状，由未掺杂稀土元素的钇铝石榴石和掺杂稀土元素的钇铝石榴石键合而成。
优选地，所述金刚石热沉的宽度大于晶体的宽度，两者之差为2-3mm，金刚石热沉长度等于泵浦光进入晶体掺杂区域后衰减为初始强度的40％时的传输距离。
优选地，所述晶体-金刚石复合冷却结构在真空焊接炉以低应力焊接的方式实现激光晶体、金刚石热沉之间的牢固连接。
优选地，金刚石热沉与激光晶体侧面的焊接面覆盖了晶体端头的键合线，键合线与离键合线最近的焊接面边缘之间的距离为5mm。
优选地，所述金刚石热沉的另一个非焊接大侧面上刻蚀有高纵横比的微槽状流道结构或者柱状凸起结构。
采用本发明实施例，具有如下优点：一、根据激光晶体的导热系数随温度降低而逐渐增大的特性，利用高绝热和抽真空的液氮腔营造出极低温的环境，从而增大激光晶体的导热系数；二、液氮在进入液氮腔后直接喷射在晶体中间区域的表面以及两端焊接的金刚石热沉表面，速度较大的液氮液滴可迅速将表面发生气化的氮气排挤开，从而减薄流动及换热边界层，在提高换热效率的同时可有效减少液氮的流量，部分未气化的液氮则由于重力作用沉积在液氮冷却腔的底部区域，从而维持整个液氮腔中的低温环境；三、晶体端头处于由石英玻璃组成的隔离腔中，避免了端头区域泵浦光受气流扰动的影响；四、本发明中，经特殊设计的金刚石热沉的尺寸与晶体发热量集中区域的分布长度基本完全匹配，既可满足冷却的需求又可大大减小金刚石热沉与晶体的焊接面积，可消除传统方式中将晶体整个侧面完全与热沉焊接而带来的大面积焊接中常见的焊接孔隙率高、焊接质量低等问题；四、金刚石热沉的导热系数极高，可实现晶体表面高温区域向低温区域的快速均温，同时金刚石热沉的热膨胀系数与晶体的热膨胀系数基本匹配，也可大大减小晶体与金刚石热沉之间的焊接应力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例的激光晶体封装及冷却结构的示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术中的技术问题，激光晶体的热管理应从激光晶体的材料特性以及发热特性出发，同时结合新型换热方式和热沉结构，才能形成满足激光晶体冷却需求的热管理方式。
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供一种激光晶体封装及冷却结构，着眼于降低激光晶体的整体温度，降低整个冷却单位的体积和重量，保证激光系统的安全运行。图1是本发明实施例的激光晶体封装及冷却结构的示意图，如图1所示，本发明实施例的激光晶体封装及冷却结构，具体包括：依次连接的第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔以及封装于第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、以及第二晶体端头隔离腔中的晶体-金刚石复合冷却结构，
所述晶体-金刚石复合冷却结构包括一个激光晶体和四个金刚石热沉，其中，所述激光晶体的中间段为晶体掺杂区，激光晶体的两端为晶体非掺杂区，两端的晶体非掺杂区伸出所述液氮冷却腔，分别被第一晶体端头隔离腔和第二晶体端头隔离腔封装；所述四个金刚石热沉分别焊接在所述晶体的两个冷却侧面；所述晶体-金刚石复合冷却结构为以所述晶体的厚度方向的中心面为对称面的上下对称结构，将所述液氮冷却腔分割为两个相互连通并对称的空腔；所述第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔为以晶体长度和厚度方向的中心面为对称面的左右、上下对称结构。
具体地，第一晶体端头隔离腔和第二晶体端头隔离腔的材料为不吸收泵浦光的石英玻璃，且其上盖布置有抽真空孔。
液氮冷却腔的材料为导热系数小于0.035W/(m2K)的真空隔热板，液氮冷却腔的左右两个侧面上开有封装晶体的长条形窄缝，窄缝高度与晶体的宽度相等，窄缝宽度与晶体的厚度相等,窄缝底端距离液氮冷却腔底部的高度为5mm-10mm。与晶体冷却面相对的液氮冷却腔的两个腔壁上分别镶嵌有三个微型液氮喷淋器，其中四个正对金刚石热沉的中心区域，另外两个正对晶体的中间区域。液氮冷却腔的上盖中间位置设置有电磁自动泄压阀和抽真空孔；
晶体-金刚石复合冷却结构在真空焊接炉以低应力焊接的方式实现晶体、金刚石热沉之间的牢固连接，所用焊料为铟或金锡焊料。晶体的两个焊接面在焊接前分别蒸镀有SiO2膜和Ti、Pt、Au膜，金刚石热沉与晶体的焊接面在焊接前蒸镀有Cr、Ti、Au膜。晶体的几何构型为板条状，由未掺杂稀土元素的钇铝石榴石和掺杂稀土元素的钇铝石榴石键合而成。晶体沿长度方向的中间部分为掺杂稀土元素的钇铝石榴石，两个端头为未掺杂稀土元素的钇铝石榴石；金刚石热沉与激光晶体侧面的焊接面覆盖了晶体端头的键合线，键合线与离键合线最近的焊接面边缘之间的距离为5mm。所述金刚石热沉的宽度大于晶体的宽度，两者之差大约2-3mm，长度等于泵浦光进入晶体键合区域后衰减为初始强度的30％—40％时的传输距离。金刚石热沉的另一个非焊接侧面上刻蚀有高纵横比的微槽状流道结构或者柱状凸起结构。
以下对本发明的结构、原理和工作过程进行描述如下：
选取厚度为2-3mm的金刚石薄片，薄片的宽度大于晶体的宽度，两者之差为2-3mm，长度等于泵浦光进入晶体掺杂区域后衰减为初始强度的40％时的传输距离；在金刚石的表面上刻蚀出高纵横比的微槽状流道结构，微槽状流道结构的宽度为200-300μm，高度为1-2mm，或者加工出当量直径为0.5-1mm，高度为1-2mm的柱状凸起结构，在金刚石的另外一个面上蒸镀Cr、Ti、Au后在真空焊接炉中将金刚石热沉与激光晶体按照图示的焊接位置焊接在一起，保证金刚石热沉与激光晶体侧面的焊接面覆盖晶体端头的键合线，键合线与离键合线最近的焊接面边缘之间的距离为5mm。
将焊接好的晶体-金刚石复合冷却结构由液氮冷却腔的上方放入在液氮冷却腔侧壁上的长方形槽内，之后盖上端盖将液氮冷却腔密封。再将没有端盖的石英材质的隔离腔罩在晶体的端头上，隔离腔与液氮腔的左右两侧的侧壁完全接触，从而实现隔离腔的密封。利用抽真空装置进行将液氮冷却腔和端头隔离腔抽真空，完成激光晶体复合冷却结构的封装。
激光器工作时，液氮储存罐中的液氮在微型增压泵的作用下进入镶嵌在液氮冷却腔侧壁上的快插式入口装置中，之后在位于液氮冷却腔中的微型喷淋器的作用下雾化为小液滴状并直接喷淋在金刚石热沉和晶体表面，液氮吸收晶体的热量后发生气化，当液氮冷却腔内的压力升高到设定值时，位于液氮冷却上上侧的电磁泄压阀自动开启，从而维持液氮冷却腔内的恒定压力，保证整个冷却系统的稳定运行。本发明中，液氮冷却腔可维持在100K以下的低温环境，在该低温环境下激光晶体的导热系数可增大至常温的4-5倍，从而提升了热传递途径中热阻最大环节的导热能力，可大大降低晶体的温度。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，包括：
依次连接的第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔以及封装于第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、以及第二晶体端头隔离腔中的晶体-金刚石复合冷却结构；
所述晶体-金刚石复合冷却结构包括一个激光晶体和四个金刚石热沉，其中，所述激光晶体的中间段为晶体掺杂区，激光晶体的两端为晶体非掺杂区，两端的晶体非掺杂区伸出所述液氮冷却腔，分别被第一晶体端头隔离腔和第二晶体端头隔离腔封装；所述四个金刚石热沉分别焊接在所述晶体端头附近键合线区域的两个冷却侧面；所述晶体-金刚石复合冷却结构为以所述激光晶体的厚度方向的中心面为对称面的上下对称结构，将所述液氮冷却腔分割为两个相互连通并对称的空腔；所述第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔为以激光晶体长度和厚度方向的中心面为对称面的左右、上下对称结构；
所述第一晶体端头隔离腔和所述第二晶体端头隔离腔的上盖布置有抽真空孔；
所述液氮冷却腔的两个正对晶体冷却面的腔壁上分别镶嵌有三个微型液氮喷淋器，其中四个正对金刚石热沉的中心区域，另外两个正对晶体长度方向的中间区域；所述液氮冷却腔的上盖中间位置设置有电磁自动泄压阀和抽真空孔。
2.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，所述第一晶体端头隔离腔和所述第二晶体端头隔离腔的材料为不吸收泵浦光的石英玻璃。
3.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，所述液氮冷却腔的材料为导热系数小于0.035W/(m2K)的真空隔热板。
4.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，所述液氮冷却腔的左右两个侧面上开有封装晶体的长条形窄缝，窄缝高度与晶体的宽度相等，窄缝宽度与晶体的厚度相等，窄缝底端距离液氮冷却腔底部的高度为5mm-10mm。
5.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，所述激光晶体的几何构型为板条状，由未掺杂稀土元素的钇铝石榴石和掺杂稀土元素的钇铝石榴石键合而成。
6.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，所述金刚石热沉的宽度大于晶体的宽度，两者之差为2-3mm，金刚石热沉长度等于泵浦光进入晶体掺杂区域后衰减为初始强度的40％时的传输距离。
7.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，所述晶体-金刚石复合冷却结构在真空焊接炉以低应力焊接的方式实现激光晶体、金刚石热沉之间的牢固连接。
8.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，金刚石热沉与激光晶体侧面的焊接面覆盖了晶体端头的键合线，键合线与离键合线最近的焊接面边缘之间的距离为5mm。
9.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构，其特征在于，所述金刚石热沉的另一个非焊接大侧面上刻蚀有高纵横比的微槽状流道结构或者柱状凸起结构。
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