CN118054284A - 一种激光转换介质夹持装置及激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光转换介质夹持装置及激光器，包括填充材料和冷却热沉，激光转换介质通过填充材料与冷却热沉连接，所述冷却热沉上对应激光转换介质设置有安装孔，所述激光转换介质安装于安装孔内，所述填充材料设置于激光转换介质和冷却热沉之间。本发明激光转换介质夹持装置具有宽温度范围适应性，当温度发生大幅变化时仍能保持激光转换介质与冷却热沉之间的良好有效的热传导，且不会因热胀冷缩发生激光转换介质压碎或者填充材料发生塑性形变无法恢复的现象，因此本装置具有良好的热管理效果与环境适应性。
Description
本申请是母案名称为“一种激光转换介质夹持装置及激光器”的发明专利的分案申请；母案申请的申请号为：CN202010147115.9；母案申请的申请日为：2020-03-05。
技术领域
本发明涉及激光器热管理与环境适应性技术领域，特别是涉及一种激光转换介质夹持装置及激光器。
背景技术
高平均功率激光器中存在不可忽视的热效应，为了保证激光参数正常输出，需要对激光器的核心发热部件——激光转换介质进行散热。采用传导散热是诸多散热方式中的一种，适合于对激光器体积重量有较高要求的应用场合。传导散热的激光转换介质需要夹持，夹持方式对热管理效果及环境适应性均有严重的影响。在环境温度变化范围较宽的应用领域，如果夹持不当，会产生的后果包括散热效果差激光不能正常输出、激光转换介质产生较大夹持应力导致激光偏振态发生较大变化、激光转换介质在夹持件热胀冷缩的挤压下断裂破碎等。
目前在实验室条件下的激光器采用的夹持方式一般为单一填充材料辅助导热的方式，即在热沉与激光转换介质之间加入一层柔软且高导热的辅助材料，填充于晶体表面和热沉表面之间，克服由于两者不光滑导致的点接触传热效果差的问题，由于填充材料的线膨胀系数与晶体和热沉不一致，此种夹持方法只适合于环境温度变化小的使用条件。当环境温度变化较大时，由于热沉、晶体、填充材料的线涨系数不一致，柔软的填充材料在热胀冷缩的反复作用下会发生塑性形变，当填充材料的线涨系数大于热沉和晶体时，当环境温度高于装配温度时，填充材料受到挤压变薄，当温度恢复到装配温度时将不能良好的与热沉和晶体接触，失去填充材料辅助传热的功能。
因此，现有技术有待于进一步改进和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光转换介质夹持装置及激光器，以解决上述现有技术存在的问题，对晶体进行夹持并满足良好的热管理效果和环境适应性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种激光转换介质夹持装置，包括填充材料和冷却热沉，激光转换介质通过所述填充材料与所述冷却热沉连接，所述冷却热沉上对应所述激光转换介质设置有安装孔，所述激光转换介质安装于所述安装孔内，所述填充材料设置于激光转换介质和冷却热沉之间；
所述填充材料由单一材料构成或多层材料复合而成；
当所述填充材料由多层材料复合而成时，相邻层材料为不同材质；
所述激光转换介质、所述填充材料和所述冷却热沉之间满足以下关系式：Φr×αr＝Φj×αj+∑(dn×αn)，其中Φr为冷却热沉中安装孔的孔径，αr为冷却热沉的线膨胀系数，Φj为激光转换介质的外径，αj为激光转换介质的线膨胀系数，填充材料为n层，填充材料厚度和线膨胀系数分别为d1、d2……dn和α1、α2……αn；
当所述填充材料由内外两层材料复合而成时，其中，内层填充材料的线膨胀系数大于激光转换介质的线膨胀系数，外层填充材料的线膨胀系数小于激光转换介质的线膨胀系数；
内层填充材料的厚度d1、外层填充材料的厚度d2满足以下关系式：d1×α1+d2×α2＝(d1+d2)×α0，其中α1为内层填充材料的线膨胀系数，α2为外层填充材料的线膨胀系数，α0为激光转换介质的线膨胀系数。
优选的，所述填充材料的整体线膨胀系数与激光转换介质、冷却热沉的线膨胀系数一致。
优选的，当所述填充材料由单一材料构成时，该单一材料包括铟、银或石墨纸。
优选的，当所述填充材料由多层材料复合而成时，单层材料包括铟、银或石墨纸。
优选的，所述冷却热沉为良热导体材料，构成冷却热沉的良热导体材料包括无氧铜材料、合金或树脂。
优选的，所述激光转换介质包括Nd：YAG晶体、Yb：YAG晶体、Nd：YVO4晶体、Nd：YLF晶体或Yb：SFAP晶体。
优选的，所述冷却热沉由上下两部分冷却热沉对合而成，安装孔位于上下两部分冷却热沉对合面上，上下两部分冷却热沉通过紧固螺钉固定，所述紧固螺钉的材质与冷却热沉的材质一致。
本发明还公开了一种激光器，所述激光器具有上述的激光转换介质夹持装置。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)采用线膨胀系数与激光转换介质材料匹配的合金作为冷却热沉，在宽温度范围内，避免冷却热沉热胀冷缩对激光转换介质产生压缩或者与激光转换介质脱离引起的损坏或者换热失效问题，具有宽温度范围适应性。
(2)通过设置与激光转换介质、冷却热沉相同线膨胀系数的填充材料，避免温度变化时填充材料因受到挤压而产生塑性形变造成的传热失效问题。
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是本发明具体实施方式中激光转换介质夹持装置的结构示意图。
图中：1-冷却热沉、2-激光转换介质、3-内层填充材料、4-外层填充材料、5-紧固螺钉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种。激光转换介质夹持装置及激光器，以解决上述现有技术存在的问题，对晶体进行夹持并满足良好的热管理效果和环境适应性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种激光转换介质夹持装置，如图1所示，包括填充材料和冷却热沉1，激光转换介质2通过填充材料与冷却热沉1连接，冷却热沉1上对应激光转换介质2设置有安装孔，激光转换介质2安装于安装孔内，填充材料设置于激光转换介质2和冷却热沉1之间。
具体的，激光转换介质2包括且不限于Nd：YAG晶体、Yb：YAG晶体、Nd：YVO4晶体、Nd：YLF晶体、Yb：SFAP晶体等可产生激光的材料。
具体的，所述冷却热沉1为良热导体材料，冷却热沉1由上下两部分冷却热沉1对合而成，安装孔位于上下两部分冷却热沉1对合面上，安装孔用于容置激光转换介质2、填充材料，安装孔的形状与填充材料的轮廓形状相吻合，激光转换介质2、填充材料和冷却热沉1的对应面紧密贴合，保证激光转换介质2到冷却热沉1良好的热传递过程。上下两部分冷却热沉1通过紧固螺钉5固定，紧固螺钉5的材质与冷却热沉1的材质一致，紧固螺钉5的大小尺寸满足固定需要，其具体形状及位置不受限制。紧固螺钉5的位置以激光转换介质2轴线为对称轴呈左右对称分布。
优选实施例中，构成冷却热沉1的良热导体材料包括无氧铜材料、合金和树脂，其中，合金材料优选钼铜合金。
填充材料具有较高的热导率和一定的弹性，其整体线膨胀系数与激光转换介质2、冷却热沉1的线膨胀系数一致，确保填充材料在不同温度下不会受到额外的应力。本发明夹持装置具有良好的宽温度范围适应性，当温度发生大幅变化时仍能保持激光转换介质与冷却热沉之间的良好有效的热传导，且不会因热胀冷缩发生激光转换介质压碎或者填充材料发生塑性形变无法恢复的现象，具有良好的热管理效果与环境适应性。
具体实施例中，所述填充材料可以有由单一材料构成，该单一材料包括铟、银、石墨纸。优选实施例中，填充材料也可以由多层材料复合而成，其相邻层材料为不同材质，多层材料复合结构能够在确保填充材料良好导热性能的情况下，实现填充材料线胀系数的调节，使得填充材料整体线胀系数与激光转换介质和冷却热沉的线胀系数保持一致，具体的，单层材料可以采用铟、银、石墨纸。
激光转换介质2、填充材料和冷却热沉1之间满足以下关系式：
Φr×αr＝Φj×αj+∑(dn×αn) (1)
其中：Φr为冷却热沉1中安装孔的孔径，αr为冷却热沉1的线膨胀系数，Φj为激光转换介质的外径，αj为激光转换介质2的线膨胀系数，填充材料为n层，填充材料厚度和线膨胀系数分别为d1、d2……dn和α1、α2……αn。
优选实施例中，如图1所示，填充材料由内外两层材料复合而成，其中，内层填充材料3的线膨胀系数大于激光转换介质2的线膨胀系数，外层填充材料4的线膨胀系数小于激光转换介质2的线膨胀系数。
内层填充材料3的厚度d1、外层填充材料4的厚度d2满足以下关系式：
d1×α1+d2×α2＝(d1+d2)×α0 (2)
其中：α1为内层填充材料3的线膨胀系数，α2为外层填充材料4的线膨胀系数，α0为激光转换介质2的线膨胀系数。
上述设置使得填充材料综合线涨系数与激光转换介质和冷却热沉一致，避免温度变化时填充材料因受到挤压而产生塑性形变造成的传热失效问题。同时采用线涨系数与激光转换介质材料匹配的合金作为冷却热沉，避免了冷却热沉在宽温度范围内热胀冷缩对晶体产生压缩或者与晶体脱离引起的损坏或者换热失效。因此本夹持装置具有良好的热管理效果与环境适应性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种激光转换介质夹持装置，其特征在于，包括填充材料和冷却热沉，激光转换介质通过所述填充材料与所述冷却热沉连接，所述冷却热沉上对应所述激光转换介质设置有安装孔，所述激光转换介质安装于所述安装孔内，所述填充材料设置于激光转换介质和冷却热沉之间；
所述填充材料由单一材料构成或多层材料复合而成；
当所述填充材料由多层材料复合而成时，相邻层材料为不同材质；
所述激光转换介质、所述填充材料和所述冷却热沉之间满足以下关系式：Φr×αr＝Φj×αj+∑(dn×αn)，其中Φr为冷却热沉中安装孔的孔径，αr为冷却热沉的线膨胀系数，Φj为激光转换介质的外径，αj为激光转换介质的线膨胀系数，填充材料为n层，填充材料厚度和线膨胀系数分别为d1、d2……dn和α1、α2……αn；
当所述填充材料由内外两层材料复合而成时，其中，内层填充材料的线膨胀系数大于激光转换介质的线膨胀系数，外层填充材料的线膨胀系数小于激光转换介质的线膨胀系数；
内层填充材料的厚度d1、外层填充材料的厚度d2满足以下关系式：d1×α1+d2×α2＝(d1+d2)×α0，其中α1为内层填充材料的线膨胀系数，α2为外层填充材料的线膨胀系数，α0为激光转换介质的线膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的激光转换介质夹持装置，其特征在于，所述填充材料的整体线膨胀系数与激光转换介质、冷却热沉的线膨胀系数一致。
3.根据权利要求1所述的激光转换介质夹持装置，其特征在于，当所述填充材料由单一材料构成时，该单一材料包括铟、银或石墨纸。
4.根据权利要求1所述的激光转换介质夹持装置，其特征在于，当所述填充材料由多层材料复合而成时，单层材料包括铟、银或石墨纸。
5.根据权利要求1所述的激光转换介质夹持装置，其特征在于，所述冷却热沉为良热导体材料，构成冷却热沉的良热导体材料包括无氧铜材料或合金。
6.根据权利要求1所述的激光转换介质夹持装置，其特征在于，所述激光转换介质包括Nd：YAG晶体、Yb：YAG晶体、Nd：YVO4晶体、Nd：YLF晶体或Yb：SFAP晶体。
7.根据权利要求1所述的激光转换介质夹持装置，其特征在于，所述冷却热沉由上下两部分冷却热沉对合而成，安装孔位于上下两部分冷却热沉对合面上，上下两部分冷却热沉通过紧固螺钉固定，所述紧固螺钉的材质与冷却热沉的材质一致。
8.一种激光器，其特征在于，所述激光器具有如权利要求1-7任一项所述的激光转换介质夹持装置。
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