CN111211466A - 透明导光与低应力封装的固体激光模块装置及其焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置，包括：固体增益介质、导光过渡框、第一热沉、波导和冷却介质；第一热沉内设置有波导容置槽，并在波导容置槽内安装波导；冷却介质填充在波导与波导容置槽之间的空隙内；第一热沉与导光过渡框的形状相互匹配；第一热沉的一端与导光过渡框的一端焊接，导光过渡框的另一端与固体增益介质的一端焊接。该模块显著降低固体激光材料工作在宽温区内包括焊接过程和激光振荡过程的应力，减小了由于应力引起的出射光斑波前畸变；提高输出激光的光束质量，并且导光过渡框透明中空，可进行大面泵浦和大面对流冷却；实现高功率、高光束质量的激光输出。

Description

透明导光与低应力封装的固体激光模块装置及其焊接方法
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，尤其涉及一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置及其焊接方法。
背景技术
半导体泵浦的全固态激光器由于具有结构紧凑、效率高、光束质量好等优点具有广泛的应用前景，是目前激光领域研究的重点，获得高功率和高光束质量的激光输出更是科研人员一直追求的目标。与传统的棒状激光材料相比，板条状或盘片状的固体激光材料具有大的散热面积/体积比，散热能力强，能消除一阶热和应力聚焦。但是研究表明，这两种设计并不能完全消除其内部的热致波前畸变，固体激光材料内部仍然存在较大的应力和应变，因此有效降低板条或盘片在焊接过程和激光振荡过程中的应力，是改善激光光束质量的重要途径。
现有技术中，板条或盘片的焊接通常有两种方式：一是采用大面传导冷却方案，将板条或盘片大面整体焊接在热沉上，如美国诺格公司在2006年成功实现19kW高光束质量激光输出所用的模块就是采用铟箔大面焊接板条的方案，国内众多全固态激光器研究单位也都采用类似方案，其优点在于大面焊接的操作简单，传导冷却的方式散热均匀，易于实现高光束质量的激光输出。但是此种方案要求端面泵浦，对泵浦光整形要求高，并且难以实现焊接的无空洞。二是采用大面对流冷却方案，将板条或盘片焊接在热沉框，其优点是大面泵浦，泵浦功率高，大面对流冷却散热更高效，热效应小。
但是在工程实践中发现：目前上述两种方法都是将固体激光材料和金属热沉直接焊接在一起，固体激光材料的焊接过程先后经历了焊料超过100℃的高温熔化，随后冷却到常温环境，激光振荡时再通过冷却液冷却到常温甚至低温环境。在整个过程中，现有技术的焊接方案造成固体激光材料和金属热沉之间的热膨胀系数在宽温区不匹配，并且差异较大，使得固体激光材料局部应力增大，出射光斑波前畸变严重，光束质量下降。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置及其焊接方法以解决上述问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置，包括：固体增益介质、导光过渡框、第一热沉、波导和冷却介质；所述第一热沉内设置有波导容置槽，并在所述波导容置槽内安装所述波导；所述冷却介质填充在所述波导与所述波导容置槽之间的空隙内；所述第一热沉与所述导光过渡框的形状相互匹配；所述第一热沉的一端与所述导光过渡框的一端焊接，所述导光过渡框的另一端与所述固体增益介质的一端焊接。
进一步地，还包括法兰和螺栓；所述法兰与所述热沉框通过螺栓连接，用于固定所述波导。
进一步地，还包括密封圈；所述密封圈设置在法兰与所述波导之间，防止冷却介质溢出。
进一步地，所述固体增益介质的材料包括：晶体、陶瓷及玻璃其中的一种或多种。
进一步地，所述导光过渡框与所述固体增益介质材质完全相同。
进一步地，所述固体增益介质的形状为板条状或盘片状。
进一步地，所述冷却介质包括：水、重水、有机物液体、空气、二氧化碳气体、氦气及氮气其中一种或多种。
进一步地，所述增益介质与所述波导相邻一侧表面镀有高透射率膜，所述增益介质另一侧表面镀有高反射率膜系。
进一步地，还包括过渡层和第二热沉；所述过渡层一侧与所述增益介质镀有高反射率膜系的一侧焊接，所述过渡层另一侧与所述热沉部焊接。
根据本发明的另一个方面，提供一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置的焊接方法，其特征在于，包括：步骤1：对增益介质镀膜；步骤2：将导光过渡框与所述增益介质一端焊接；步骤3：将热沉框与所述增益介质另一端焊接。
本发明的一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置，包括：固体增益介质、导光过渡框、第一热沉、波导和冷却介质；所述第一热沉内设置有波导容置槽，并在所述波导容置槽内安装所述波导；所述冷却介质填充在所述波导与所述波导容置槽之间的空隙内；所述第一热沉与所述导光过渡框的形状相互匹配；所述第一热沉的一端与所述导光过渡框的一端焊接，所述导光过渡框的另一端与所述固体增益介质的一端焊接。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)避免了固体激光材料直接与金属热沉接触时热膨胀系数不同造成的应力过大现象；
(2)显著降低固体激光材料工作在宽温区内包括焊接过程和激光振荡过程的应力，减小了由于应力引起的出射光斑波前畸变；
(3)提高输出激光的光束质量，并且导光过渡框透明中空，可进行大面泵浦和大面对流冷却；
(4)实现高功率、高光束质量的激光输出。
附图说明
图1是根据本发明一可选实施方式的固体激光模块的结构示意图；
图2是根据本发明一可选实施方式的第一导光过渡框的结构示意图；
图3是根据本发明一可选实施方式的第二导光过渡框的结构示意图；
图4是根据本发明一可选实施方式的第三导光过渡框的结构示意图；
图5是根据本发明一可选实施方式的盘片激光模块的结构示意图。
附图标记：
1：固体增益介质；2：导光过渡框；3：第一热沉；4：波导；5：冷却介质；6：法兰；7：密封圈；8：过渡层；9：第二热沉；10：焊接层；11：泵浦光。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明的第一实施例提供了一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置，包括：固体增益介质1、导光过渡框2、第一热沉3、波导4和冷却介质5；所述第一热沉3内设置有波导4容置槽，并在所述波导4容置槽内安装所述波导4；所述冷却介质5填充在所述波导4与所述波导4容置槽之间的空隙内；所述第一热沉3与所述导光过渡框2的形状相互匹配；所述第一热沉3的一端与所述导光过渡框2的一端焊接，所述导光过渡框2的另一端与所述固体增益介质1的一端焊接。所述导光过渡框2中空可导泵浦光，因此可以进行侧面泵浦和端面泵浦。该模块避免了固体激光材料直接与金属热沉接触时热膨胀系数不同造成的应力过大现象；显著降低固体激光材料工作在宽温区内包括焊接过程和激光振荡过程的应力，减小了由于应力引起的出射光斑波前畸变；提高输出激光的光束质量，并且导光过渡框2透明中空，可进行大面泵浦和大面对流冷却；实现高功率、高光束质量的激光输出。
可选的，还包括法兰6和螺栓；所述法兰6与所述热沉框通过螺栓连接，用于固定所述波导4。可以将波导4固定在波导4容置槽内部。
可选的，还包括密封圈7；所述密封圈7设置在法兰6与所述波导4之间，防止冷却介质5溢出。
可选的，所述固体增益介质1的材料包括：晶体、陶瓷及玻璃其中的一种或多种。
可选的，所述导光过渡框2与所述固体增益介质1材质相同。显著降低固体激光材料工作在宽温区内包括焊接过程和激光振荡过程的应力，减小了由于应力引起的出射光斑波前畸变。导光过渡框2采用选择与增益介质热膨胀系数匹配的材料，解决了大面焊接此材料容易造成焊接空洞，带来额外的问题。
可选的，所述固体增益介质1的形状为板条状或盘片状。
可选的，所述冷却介质5包括：水、重水、有机物液体、空气、二氧化碳气体、氦气及氮气其中一种或多种。
可选的，所述增益介质与所述波导4相邻一侧表面镀有高透射率膜，所述增益介质另一侧表面镀有高反射率膜系。
可选的，还包括过渡层8和第二热沉9；所述过渡层8一侧与所述增益介质镀有高反射率膜系的一侧焊接，所述过渡层8另一侧与所述热沉部焊接。
图1是根据本发明一可选实施方式的透明导光与低应力封装的固体激光模块装置的结构示意图。
如图1所示，在一可选实施例中，提供一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置，包括：固体增益介质1、导光过渡框2、第一热沉3、波导4和冷却介质5；所述第一热沉3内设置有波导4容置槽，并在所述波导4容置槽内安装所述波导4；所述冷却介质5填充在所述波导4与所述波导4容置槽之间的空隙内；所述第一热沉3与所述导光过渡框2的形状相互匹配；所述第一热沉3的一端与所述导光过渡框2的一端焊接，所述导光过渡框2的另一端与所述固体增益介质1的一端焊接。具体的，还包括法兰6和螺栓；所述法兰6与所述热沉框通过螺栓连接，用于固定所述波导4。具体的，还包括密封圈7；所述密封圈7设置在法兰6与所述波导4之间，防止冷却介质5溢出。具体的，所述固体增益介质1的材料包括：晶体、陶瓷及玻璃其中的一种或多种。具体的，所述导光过渡框2与所述固体增益介质1材质相同。具体的，所述固体增益介质1的形状为板条状或盘片状。具体的，所述冷却介质5包括：水、重水、有机物液体、空气、二氧化碳气体、氦气及氮气其中一种或多种。具体的，所述增益介质与所述波导4相邻一侧表面镀有高透射率膜，所述增益介质另一侧表面镀有高反射率膜系。具体的，还包括过渡层8和第二热沉9；所述过渡层8一侧与所述增益介质镀有高反射率膜系的一侧焊接，所述过渡层8另一侧与所述热沉部焊接。
可选的，过渡层8与导光过渡框2一体设计，过渡层8与导光过渡框2在固体增益介质侧面的外表面相连接，将固体增益介质1包围在其中，所述一体设计的导光过渡框截面，如图2-4所示。完整的盘片激光模块结构示意图如图5所示。
如图2所示，一种平框型导光过渡框结构示意图，具体应用于固体增益介质的大面一侧，实现固体增益介质和第一热沉及第二热沉之间的有效过渡。外形具体尺寸为150×50mm,边框宽度为5mm，厚度5mm，固体增益介质和导光过渡框材料均采用Nd:YAG晶体。当在固体激光材料和第一热沉及第二热沉之间焊接此导光过渡框可以有效实现焊接、装配、激光模块工作过程中的应力过渡，大大减小了固体激光材料的应力，减小了固体激光材料的波前畸变，出射光斑光束质量明显提升。
如图3所示，一种梯形框型结构示意图，具体应用于固体增益介质的大面一侧，实现固体增益介质和第一热沉及第二热沉之间的有效过渡。外形具体尺寸为200×60mm,边框宽度为10mm，两侧厚度3mm，上下框单侧呈梯形凸台状，固体增益介质和导光过渡框材料均采用Yb:YAG晶体。梯形凸台侧面通过焊接层与固体增益介质焊接，当在固体增益介质和第一热沉及第二热沉之间焊接此导光过渡框可以有效实现焊接、装配、激光模块工作过程中的应力过渡，大大减小了固体增益介质的应力，减小了板条的波前畸变，出射光斑光束质量明显提升。当导光过渡框呈现凸台状与固体增益介质焊接，部分应力会通过此特殊设计分配在固体增益介质的侧面上下两侧而非固体增益介质的两侧通光端面，更进一步减小了固体增益介质的波前畸变，最大化提升输出光斑光束质量。
如图4所示，一种弧度框型导光过渡框结构示意图，具体应用于固体增益介质的大面一侧，实现固体增益介质和第一热沉及第二热沉之间的有效过渡。外形具体尺寸为200×60mm,边框宽度为10mm，最厚处厚度5mm，最薄处厚度2mm,上下框单侧呈弧度凸台状，导光过渡框材料采用Nd:YAG陶瓷，与固体增益介质材质保持一致。弧形凸台侧面通过焊接层与固体增益介质焊接，当在固体增益介质和第一热沉及第二热沉之间焊接此导光过渡框可以有效实现焊接、装配、激光模块工作过程中的应力过渡，大大减小了固体增益介质的应力，减小了板条的波前畸变，出射光斑光束质量明显提升。当导光过渡框呈现凸台状与固体增益介质焊接，部分应力会通过此特殊设计分配在固体增益介质的侧面上下两侧而非固体增益介质的两侧通光端面，更进一步减小了固体增益介质的波前畸变，最大化提升输出光斑光束质量。
如图5所示，一种盘片激光模块焊接导光过渡框结构示意图，具体应用于盘片固体增益介质的大面一侧，先焊接相同材料导光过渡框再与金属热沉焊接的结构实现盘片和第一热沉及第二热沉之间的有效过渡。导光过渡框材料采用Nd:YAG晶体，与固体增益介质材质保持一致。当在固体增益介质和第一热沉及第二热沉之间焊接此导光过渡框可以有效实现焊接、装配、激光模块工作过程中的应力过渡，大大减小了固体增益介质的应力，减小了盘片出射光斑的波前畸变，光束质量明显提升。
在一可选实施例中，提供的一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置，其包括固体增益介质、焊接层、导光过渡框、第一热沉、波导、法兰、密封圈、冷却介质和泵浦光；所述导光过渡框、所述焊接层、所述金属热沉、所述波导、所述冷却液、所述法兰、所述密封圈和所述泵浦光位于所述固体增益介质大面的一侧，所述固体增益介质另一侧采用整体焊接第二热沉；所述导光过渡框通过所述焊接层与固体增益介质；所述导光过渡框另一侧通过所述焊接层与第一热沉焊接；所述波导通过所述法兰与所述第一热沉固定；所述冷却介质存在于所述固体增益介质、所述焊接层、所述导光过渡框、所述第一热沉，所述波导和所述法兰之间所形成的冷却通道；所述泵浦光对准所述波导对所述固体增益介质的大面进行泵浦、垂直于泵浦面传输，固体增益介质吸收泵浦光产生激光辐射。
具体地，导光过渡框的材料与固体增益介质材料相同，因而具有相同的热膨胀系数，导光过渡框透明中空，可进行大面泵浦、冷却；当固体增益介质通过所述焊接层焊接过程中需要先经历超过100℃的焊料熔化阶段、焊料冷却凝固阶段和输出激光时整个激光模块冷却阶段。整个激光模块工作的温度范围很宽，当互相接触的所述固体激光材料、焊接层和金属热沉的热膨胀系数不匹配甚至过大时，固体激光材料在静态情况和工作状态下均承受过大的应力，导致出射光斑产生波前畸变，光束质量下降。当在固体增益介质和第一热沉之间焊接导光过渡框可以有效实现焊接、装配、激光模块工作过程中的应力过渡，大大减小了固体增益介质的应力，减小了固体增益介质的波前畸变，出射光斑光束质量明显提升，并且所述方案具有大面泵浦，大面对流冷却的结构，可同时实现高功率、高光束质量的激光输出。
本发明实施例的另一个方面，提供一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置的焊接方法，包括：步骤1：对增益介质镀膜；步骤2：将导光过渡框2与所述增益介质一端焊接；步骤3：将热沉框与所述增益介质另一端焊接。
本发明旨在保护一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置，包括：固体增益介质1、导光过渡框2、第一热沉3、波导4和冷却介质5；所述第一热沉3内设置有波导4容置槽，并在所述波导4容置槽内安装所述波导4；所述冷却介质5填充在所述波导4与所述波导4容置槽之间的空隙内；所述第一热沉3与所述导光过渡框2的形状相互匹配；所述第一热沉3的一端与所述导光过渡框2的一端焊接，所述导光过渡框2的另一端与所述固体增益介质1的一端焊接。该模块显著降低固体激光材料工作在宽温区内包括焊接过程和激光振荡过程的应力，减小了由于应力引起的出射光斑波前畸变；提高输出激光的光束质量，并且导光过渡框2透明中空，可进行大面泵浦和大面对流冷却；实现高功率、高光束质量的激光输出。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置，其特征在于，包括：固体增益介质(1)、导光过渡框(2)、第一热沉(3)、波导(4)和冷却介质(5)；
所述第一热沉(3)内设置有波导(4)容置槽，并在所述波导(4)容置槽内安装所述波导(4)；
所述冷却介质(5)填充在所述波导(4)与所述波导(4)容置槽之间的空隙内；
所述第一热沉(3)与所述导光过渡框(2)的形状相互匹配；
所述第一热沉(3)的一端与所述导光过渡框(2)的一端焊接，所述导光过渡框(2)的另一端与所述固体增益介质(1)的一端焊接。
2.根据权利要求1所述的固体激光模块装置，其特征在于，还包括法兰(6)和螺栓；
所述法兰(6)与所述热沉框通过螺栓连接，用于固定所述波导(4)。
3.根据权利要求2所述的固体激光模块装置，其特征在于，还包括密封圈(7)；
所述密封圈(7)设置在法兰(6)与所述波导(4)之间，防止冷却介质(5)溢出。
4.根据权利要求1所述的固体激光模块装置，其特征在于，所述固体增益介质(1)的材料包括：晶体、陶瓷及玻璃其中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的固体激光模块装置，其特征在于，所述导光过渡框(2)与所述固体增益介质(1)材质相同。
6.根据权利要求1所述的固体激光模块装置，其特征在于，所述固体增益介质(1)的形状为板条状或盘片状。
7.根据权利要求1所述的固体激光模块装置，其特征在于，所述冷却介质(5)包括：水、重水、有机物液体、空气、二氧化碳气体、氦气及氮气其中一种或多种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的固体激光模块装置，其特征在于，所述增益介质与所述波导(4)相邻一侧表面镀有高透射率膜，所述增益介质另一侧表面镀有高反射率膜系。
9.根据权利要求8所述的固体激光模块装置，其特征在于，还包括过渡层(8)和第二热沉(9)；
所述过渡层(8)一侧与所述增益介质镀有高反射率膜系的一侧焊接，所述过渡层(8)另一侧与所述第二热沉(9)焊接。
10.一种透明导光与低应力封装的固体激光模块装置的焊接方法，其特征在于，包括：
步骤1：对增益介质镀膜；
步骤2：将导光过渡框与所述增益介质一端焊接；
步骤3：将热沉框与所述增益介质另一端焊接。
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