CN113140950A - 激光增益单元、激光增益单元的制作方法及激光增益模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，公开了一种激光增益单元、激光增益单元的制作方法及激光增益模块。所述激光增益单元包括金属热沉、激光增益介质及导热介质；金属热沉中设有容置腔，容置腔贯穿金属热沉的相对两侧；激光增益介质设置于容置腔内，且与容置腔的内壁间设有容置间隙，激光增益介质的端面裸露于空气中；导热介质填充于容置间隙内，且导热介质的熔点低于金属热沉及激光增益介质的熔点。本发明提供的激光增益单元可用于发射或接收激光信号，能够有效解决激光增益介质散热慢的技术问题。

Description

激光增益单元、激光增益单元的制作方法及激光增益模块

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光增益单元、激光增益单元的制作方法及激光增益模块。

背景技术

固体激光器是用固体激光材料作为工作物质的激光器，由于具备体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，被广泛应用于科学研究、生产加工、医疗生物等各个领域。

固体激光器使用过程中，其内部的激光增益介质会产生大量的热量，且随着固体激光器输出功率的增加，激光增益介质的温度会不断提升。若无法及时将激光增益介质产生的热量散出，会影响输出激光的亮度水平及光束质量，甚至影响固体激光器的正常使用。

相关技术中，通常在激光增益介质外设置热沉，以辅助激光增益介质进行散热。然而，利用热沉辅助散热时，受限于制作工艺或热沉结构等因素，激光增益介质与热沉间的接触较差，导致此种散热方式导热效率较低，散热慢，无法满足激光增益介质的散热需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光增益单元、激光增益单元的制作方法及激光增益模块，以解决相关技术中激光增益介质散热慢的技术问题。

为解决上述问题，第一方面，本发明公开了一种激光增益单元，包括：

金属热沉，所述金属热沉中设有容置腔，所述容置腔贯穿所述金属热沉的相对两侧；

激光增益介质，设置于所述容置腔内，所述激光增益介质与所述容置腔的内壁间设有容置间隙，且所述激光增益介质的端面裸露于空气中；

导热介质，填充于所述容置间隙内，所述导热介质的熔点低于所述金属热沉及所述激光增益介质的熔点。

在一实施例中，所述导热介质的材质为银或银合金。

在一实施例中，所述导热介质为银锡合金，所述银锡合金的含银量为70％-99.9％、含锡量为0.1％-30％。

在一实施例中，所述金属热沉的材质为紫铜、金、银中的一种。

本发明提供的激光增益单元，包括金属热沉、激光增益介质及导热介质，其中，金属热沉及导热介质用于为激光增益介质散热。具体地，金属热沉中设有容置腔，激光增益介质及导热介质均设置于容置腔内，且导热介质设置于激光增益介质与容置腔的内壁间的容置间隙，激光增益单元工作时，激光增益介质的温度高于导热介质及金属热沉的温度，热量可由激光增益介质传递至导热介质及金属热沉中，进而实现激光增益介质的散热。通过设置导热介质，可以避免大量空气进入容置间隙内，提升金属热沉与激光增益介质间的接触效果，从而能够有效提升激光增益介质与外界的热交换速度，即提升激光增益介质的散热速度，实现激光增益介质的快速散热，有效避免激光增益介质温度过高，确保激光增益单元及安装此激光增益单元的设备能够正常运行。

第二方面，本发明还提供了一种激光增益单元的制作方法，用于制作如第一方面所述的激光增益单元，所述制作方法包括：

在所述金属热沉的容置腔的内壁上涂覆所述导热介质；

将所述激光增益介质放入所述容置腔内，其中，所述激光增益介质的长度大于所述容置腔的长度；

将所述激光增益介质延伸出所述容置腔的部分切除，并对所述激光增益介质的端面进行抛光和镀膜处理，使所述激光增益介质的端面与所述金属热沉的侧壁对齐。

在一实施例中，将所述激光增益介质放入所述容置腔内之前，所述制作方法还包括：在所述激光增益介质的周侧涂覆所述导热介质。

在一实施例中，将所述激光增益介质延伸出所述容置腔的部分切除之前，所述制作方法还包括：加热所述激光增益单元，直至所述导热介质熔化；冷却所述激光增益单元，使所述导热介质固化。

本发明提供的制作方法可用于制作激光增益单元，所述激光增益单元能够实现激光增益介质的快速散热，性能稳定。具体地，利用上述制作方法制作出的激光增益单元，激光增益介质及金属热沉间填充有导热介质，激光增益介质进行散热时，其热量需要先传递至导热介质内，而后再由导热介质传递至金属热沉内。通过设置导热介质，可以避免大量空气进入容置间隙内，提升金属热沉与激光增益介质间的接触效果，从而能够有效提升激光增益介质与外界的热交换速度，即提升激光增益介质的散热速度，进而能够实现激光增益介质的快速散热，有效避免激光增益介质温度过高，保证激光增益单元的性能稳定。

第三方面，本发明还提供了一种激光增益模块，包括散热单元及如第一方面所述的激光增益单元，所述散热单元与所述激光增益单元贴合设置，所述散热单元用于为所述金属热沉散热。

在一实施例中，所述散热单元包括第一散热块和第二散热块，所述激光增益单元设置于所述第一散热块和所述第二散热块之间。

在一实施例中，所述第一散热块及所述第二散热块中均设有供流体流通的通道，所述通道包括进口和出口。

本发明提供的激光增益模块，通过设置散热单元，能够辅助激光增益单元中的金属热沉进行散热，以降低金属热沉的温度，从而能够提升金属热沉与导热介质及激光增益介质间的温差，进而提升金属热沉的吸热能力，确保激光增益金介质内的热量可以及时散出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光增益单元的结构示意图；

图2为图1所示激光增益单元中金属热沉的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的激光增益单元的装配图；

图4为本发明实施例提供的激光增益模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的激光增益模块的制作方法的流程图。

主要元件符号说明：

100、激光增益模块；

10、激光增益单元；11、金属热沉；12、激光增益介质；13、导热介质；111、容置腔；

20、散热单元；21、第一散热块；22、第二散热块；23、通道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以是直接或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

第一方面，本发明提供了一种激光增益单元。如图1所示，激光增益单元10包括金属热沉11、激光增益介质12及导热介质13。如图1和图2所示，金属热沉11中设有容置腔111，容置腔111贯穿金属热沉11的相对两侧；激光增益介质12设置于金属热沉11的容置腔111内，且与容置腔111的内壁间设有容置间隙(图中未示出)，激光增益介质12的端面裸露于空气中；导热介质13填充于容置间隙内，导热介质13的熔点低于金属热沉11及激光增益介质12的熔点。

本发明提供的激光增益单元10，包括金属热沉11、激光增益介质12及导热介质13，金属热沉11及导热介质13用于为激光增益介质12散热。具体地，金属热沉11中设有容置腔111，激光增益介质12及导热介质13均设置于容置腔111内，且导热介质13设置于激光增益介质12与容置腔111的内壁间的容置间隙内，激光增益单元10工作时，激光增益介质12的温度高于导热介质13及金属热沉11的温度，热量可由激光增益介质12传递至导热介质13及金属热沉11中，进而实现激光增益介质12的散热。通过设置导热介质13，可以避免大量空气进入容置间隙内，提升金属热沉11与激光增益介质12间的接触效果，从而能够有效提升激光增益介质12与外界的热交换速度，即提升激光增益介质12的散热速度，实现激光增益介质12的快速散热，有效避免激光增益介质12温度过高，确保激光增益单元10及安装此激光增益单元10的设备能够正常运行。

为保证激光增益介质12与导热介质13能够充分接触并牢固结合，在将激光增益介质12及导热介质13填充入容置腔111内后，通常需要对激光增益单元10进行加热处理直至导热介质13熔化，而后进行冷却，以使导热介质13可以均匀填充于容置间隙内并环绕于激光增益介质12的周侧。因此，为避免激光增益介质12及金属热沉11的物化性质受到影响，应确保导热介质13的熔点低于激光增益介质12及金属热沉11的熔点。

本发明提供的激光增益单元10中，如图1所示，激光增益介质12的两个端面裸露于空气中，用于输入或发出激光信号。具体地，泵浦光可以从激光增益介质12的端面的轴向或近轴向入射，形成端面泵浦。

本发明提供的激光增益单元10中，激光增益介质12的类型不唯一。具体地，激光增益介质12可以为Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等掺杂YVO₄、YAG、KGW、KYW、CaF₂、石英等材料的激光晶体、激光陶瓷、激光光纤等，具体可根据实际情况进行设计，在此不做限定。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，激光增益介质12的轴截面为圆形。其中，根据激光增益单元10的设计需求，激光增益介质12的端面尺寸可以由10um到20mm，长度可以从10mm到100mm。

当然，在一些实施例中，激光增益介质12的轴截面还可以为矩形或其它形状，具体可根据实际情况进行设计，在此不做限定。

为确保激光增益介质12能够快速散热，优选地，导热介质13可选用导热系数大于150W/(m·K)的金属材料。

在本发明提供的一个实施例中，导热介质13采用银锡合金，其中，银锡合金的含银量为70％-99.9％，含锡量为0.1％-30％。上述配比的银锡合金导热系数较高，能够有效提升激光增益介质12及导热介质13间的热传递速度，满足较高的散热需求。

可以理解，在一些实施例中，导热介质13还可选用银或其它银合金，具体可根据实际情况进行设计，在此不做限定。

本发明提供的激光增益单元10中，金属热沉11可选用紫铜、金、银中的一种。紫铜、金、银材质导热系数大，能够快速吸取导热介质13中的热量，且上述类型的金属材质易于获取，加工制作工艺成熟。

需要说明的是，为保证激光增益单元10的散热效果，金属热沉11的导热系数不小于导热介质13的导热系数。

本发明提供的激光增益单元10中，容置间隙位于激光增益介质12的至少一侧。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，容置腔111为开设于金属热沉11内部的通孔。当然，在一些实施例中，为方便加工，容置腔111也可以为开设于金属热沉11一个表面上的凹槽。

第二方面，本发明提供了一种激光增益单元的制作方法，用于制作第一方面中的激光增益单元10，如图2、图3和图5所示，包括：

S1、在金属热沉11的容置腔111的内壁上涂覆导热介质13。

其中，导热介质13的熔点低于金属热沉11的熔点。

S2、将激光增益介质12放入容置腔111内。

激光增益介质12的长度大于容置腔111的长度，激光增益介质12放置于容置腔111内后，激光增益介质12的一端或两端延伸出容置腔111之外。导热介质13的熔点低于激光增益介质12的熔点。

S3、将激光增益介质12延伸出容置腔111的部分切除，并对激光增益介质12的端面进行抛光和镀膜处理，使激光增益介质12的端面与金属热沉11的侧面对齐。

其中，镀膜为在激光增益介质12的端面镀设输出激光与泵浦光的增透膜。

本发明提供的制作方法可用于制作激光增益单元10，所述激光增益单元10能够实现激光增益介质12的快速散热，性能稳定。具体地，利用上述制作方法制作出的激光增益单元10，激光增益介质12及金属热沉11间填充有导热介质13，激光增益介质12进行散热时，其热量需要先传递至导热介质13内，而后再由导热介质13传递至金属热沉11内。通过设置导热介质13，可以避免大量空气进入容置间隙内，提升金属热沉11与激光增益介质12间的接触效果，从而能够有效提升激光增益介质12与外界的热交换速度，即提升激光增益介质12的散热速度，进而能够实现激光增益介质12的快速散热，有效避免激光增益介质12温度过高，保证激光增益单元10的性能稳定。

另外，上述制作方法中，将激光增益介质12安装好后再对其端部进行切割、抛光及镀膜处理，能够使得激光增益介质12的端面与金属热沉11的侧壁面保持平整，从而保证激光增益介质12及激光增益单元10能够正常使用。

在一些实施例中，可以将激光增益介质12的端面切割成布儒斯特角，以降低偏振光的菲涅尔损耗。当然，在一些实施例中，还可以将激光增益介质12的端面切割成小角度，以减少自激光。

为确保导热介质13能够全面覆盖激光增益介质12的侧壁面，在本发明提供的一个实施例中，将激光增益介质12放入容置腔111内之前，制作方法还包括：在激光增益介质12的周侧涂覆导热介质13。

需要说明的是，为保证激光增益介质12的散热效果，应将导热介质13均匀涂覆于激光增益介质12侧壁的各个位置处。

为保证激光增益介质12与导热介质13能够充分接触并牢固结合，在本发明提供的一个实施例中，将激光增益介质12延伸出容置腔111的部分切除之前，制作方法还包括：加热激光增益单元10，直至导热介质13熔化；冷却激光增益单元10，使导热介质13固化。导热介质13熔化并固化后可与激光增益介质12的周侧均匀接触，且激光增益介质12能够通过导热介质13与容置腔111的内壁紧密结合。

可以理解，为避免导热介质13发生氧化，加热及冷却过程需要在保护性气体环境内进行。其中，保护性气体可以为N₂或其它惰性气体。另外，加热过程中，还需要对激光增益介质12的端面进行保护，以避免激光增益介质12的端面受到污染。

为使导热介质13能够均匀分布于激光增益介质12的外围，加热及冷却过程中，应将激光增益介质12设置于容置腔111的中心位置，且应确保激光增益介质12不会在容置腔111内来回晃动。

需要说明的是，为避免激光增益介质12及金属热沉11的物化性质受到影响，还应确保导热介质13的熔点低于激光增益介质12及金属热沉11的熔点。

第三方面，本发明还提供了一种激光增益模块。如图1和图4所示，激光增益模块100包括散热单元20及第一方面中的激光增益单元10，散热单元20与激光增益单元10贴合设置，散热单元20用于为金属热沉11散热。

本发明提供的激光增益模块100，通过设置散热单元20，能够辅助激光增益单元10中的金属热沉11进行散热，以降低金属热沉11的温度，从而能够提升金属热沉11与导热介质13及激光增益介质12间的温差，进而提升金属热沉11的吸热能力，确保激光增益介质12内的热量可以及时散出。

上述激光增益模块100可应用于激光器振荡器和激光放大器等激光增益设备，由于其激光增益介质12散热较快、性能稳定，能够将激光增益设备的有效泵浦功率由30W-80W提升至100W-600W，实现激光增益设备的高功率、高光束质量激光输出。

为进一步提升散热效果，在本发明提供的一个实施例中，如图1和图4所示，散热单元20包括第一散热块21和第二散热块22，激光增益单元10设置于第一散热块21和第二散热块22之间。采用上述设计装配方式，能够有效增大第一散热块21、第二散热块22与激光增益单元10间的接触面积，从而能够更好地辅助激光增益单元10进行散热。

可以理解，第一散热块21和第二散热块22的形状可以相同，也可以不同，散热单元中散热块的数量也不唯一，具体可根据实际情况进行设计，在此不做限定。

为进一步提升散热单元20的散热能力，在本发明提供的一个实施例中，如图1和图4所示，第一散热块21及第二散热块22内均设有供流体流通的通道23，通道23包括进口和出口。当激光增益介质12的散热需求较高时，可向上述通道23内注入低温气体或低温液体，以辅助散热单元20及金属热沉11进行散热。其中，散热单元20开设的通道23、进口和出口数量均不唯一，具体可根据实际情况进行设计，在此不做限定。

在本发明提供的一个实施例中，如图3和图4所示，第一散热块21、第二散热块22及金属热沉11上均设有通道23，且金属热沉11上的通道23与第一散热块21及第二散热块22上的通道23连通。

在一些实施例中，还可利用风冷或热电压缩机辅助散热单元20进行散热，上述散热方式属于现有技术中常用手段，在此不作详细说明。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光增益单元，其特征在于，包括：

金属热沉，所述金属热沉中设有容置腔，所述容置腔贯穿所述金属热沉的相对两侧；

激光增益介质，设置于所述容置腔内，所述激光增益介质与所述容置腔的内壁间设有容置间隙，且所述激光增益介质的端面裸露于空气中；

导热介质，填充于所述容置间隙内，所述导热介质的熔点低于所述金属热沉及所述激光增益介质的熔点。

2.根据权利要求1所述的激光增益单元，其特征在于，所述导热介质的材质为银或银合金。

3.根据权利要求2所述的激光增益单元，其特征在于，所述导热介质为银锡合金，所述银锡合金的含银量为70％-99.9％、含锡量为0.1％-30％。

4.根据权利要求3中所述的激光增益单元，其特征在于，所述金属热沉的材质为紫铜、金、银中的一种。

5.一种激光增益单元的制作方法，用于制作如权利要求1-4中任一项所述的激光增益单元，其特征在于，所述制作方法包括：

在所述金属热沉的容置腔的内壁上涂覆所述导热介质；

将所述激光增益介质放入所述容置腔内，其中，所述激光增益介质的长度大于所述容置腔的长度；

将所述激光增益介质延伸出所述容置腔的部分切除，并对所述激光增益介质的端面进行抛光和镀膜处理，使所述激光增益介质的端面与所述金属热沉的侧壁对齐。

6.根据权利要求5所述的激光增益单元的制作方法，其特征在于，将所述激光增益介质放入所述容置腔内之前，所述制作方法还包括：

在所述激光增益介质的周侧涂覆所述导热介质。

7.根据权利要求5所述的激光增益单元的制作方法，其特征在于，将所述激光增益介质延伸出所述容置腔的部分切除之前，所述制作方法还包括：

加热所述激光增益单元，直至所述导热介质熔化；

冷却所述激光增益单元，使所述导热介质固化。

8.一种激光增益模块，其特征在于，包括散热单元及如权利要求1-4中任一项所述的激光增益单元，所述散热单元与所述激光增益单元贴合设置，所述散热单元用于为所述金属热沉散热。

9.根据权利要求8所述的激光增益模块，其特征在于，所述散热单元包括第一散热块和第二散热块，所述激光增益单元设置于所述第一散热块和所述第二散热块之间。

10.根据权利要求9所述的激光增益模块，其特征在于，所述第一散热块及所述第二散热块中均设有供流体流通的通道，所述通道包括进口和出口。

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