CN219561844U - 板条晶体应力监测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种板条晶体应力监测装置，包括依次设置的激光器、准直镜、孔径光阑、板条晶体、聚焦透镜和光束分析仪；所述准直镜将激光器产生的激光光束扩束增大后射入孔径光阑的光孔，穿过孔径光阑的激光光束的光斑至少能够覆盖其对准的板条晶体的横截面，经板条晶体出射的激光光束通过聚焦透镜进行聚焦，光束分析仪的相机靶面位于聚焦透镜出射的焦平面位置上。本装置通过调整压在板条晶体上方的夹持工装的负荷重量来控制板条晶体的应力，并采用光束分析仪对通过板条晶体的光斑进行成像，再通过光斑的变化检测板条晶体焊接过程中产生的应力大小，直到光斑前后变化一致，最终实现无应力焊接。

Description

板条晶体应力监测装置

技术领域

本实用新型属于激光二极管泵浦全固态激光技术领域，具体来说，涉及一种板条晶体应力监测装置。

背景技术

在脉冲固体激光器领域，对于大能量激光器的研制，通常采用不同形状的板条晶体作为增益介质，而为了解决晶体热管理问题，晶体通常通过铟焊来进行安装固定和有效散热。

而板条晶体的焊接，由于板条通常是梯形、长方形、平行四边形等非圆棒立方体结构，通常是将晶体外部四个表面的某一个表面进行铟焊。焊接过程中，对晶体焊接的工艺要求极高，如果焊接工艺不可控，或者未借助某种可量化的测量装置，焊接后板条晶体很可能出现两个方向上不同程度的俯仰或偏移，更不利的是焊接后晶体内部产生的应力将会使得晶体消光比下降，从而导致大能量激光在晶体内部全反射过程中形成严重的温度梯度，最终对激光光束质量产生很大影响，典型的表现就是在某个方向上光斑很大，束散角大，光斑在远场是一个细长的椭圆形光斑。

发明内容

针对现有技术存在的板条晶体焊接工艺不可控造成激光光束质量不佳的问题，本实用新型提供了一种板条晶体应力监测装置，采用该装置能够通过晶体上方不同负荷重量的夹持工装来控制晶体的应力，借助光斑的质量变化实现板条晶体的无应力焊接。

为实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种板条晶体应力监测装置，包括依次设置的激光器、准直镜、孔径光阑、板条晶体、聚焦透镜和光束分析仪；

所述准直镜将激光器产生的激光光束扩束增大后射入孔径光阑的光孔，穿过孔径光阑的激光光束的光斑至少能够覆盖其对准的板条晶体的横截面，经板条晶体出射的激光光束通过聚焦透镜进行聚焦，光束分析仪的相机靶面位于聚焦透镜出射的焦平面位置上；

其中，所述板条晶体水平放置在晶体热沉上，晶体热沉下方设有加热焊台，板条晶体上方设有负荷重量可调的夹持工装，板条晶体和晶体热沉之间放置有与板条晶体底部尺寸一致的焊料。

采用上述技术方案的板条晶体应力监测装置，激光器用于产生激光光束，其经过准直镜后扩束增大激光光束的光斑直径，激光光束经过孔径光阑的光孔后将光斑的大小控制为略大于其对准的板条晶体的横截面面积，激光光束在板条晶体内经过全反射后通过聚焦透镜聚焦在焦平面位置，而光束分析仪的相机靶面刚好位于焦平面位置来接收激光光束的光斑，通过光束分析仪上可以保存记录聚焦光斑的形状、光强分布和X、Y两个方向上的发散角大小。

优选地，所述依次设置的激光器、准直镜、孔径光阑、板条晶体、聚焦透镜和光束分析仪同轴等高。

优选地，所述激光器为气体激光器。

优选地，所述激光器为He-Ne激光器。

优选地，所述板条晶体侧面和底面设计有平行度不大于15角秒的靠位面，使得板条晶体与晶体热沉贴合。

优选地，所述加热焊台放置在校准过水平的光学平台上。

优选地，所述焊料为铟箔。

本实用新型相比现有技术，具有如下有益效果：

(1)采用本申请的板条晶体应力监测装置，通过及时调整压在板条晶体上方的夹持工装的负荷重量来控制板条晶体的应力，并采用光束分析仪对通过板条晶体的光斑进行成像，光斑质量的变化即可反应板条晶体焊接过程中产生的应力的大小，从而实现应力监测，通过不断调整夹持工装的负荷重量，最终实现无应力焊接。

(2)对于通过板条晶体应力监测装置实现的无应力焊接的板条晶体，当其应用于脉冲激光器时，能够确保腔内激光光束质量不受或少受晶体焊接造成的影响，避免激光光束质量的恶化，也相当于提高输出激光的光束质量。

附图说明

图1为一种板条晶体应力监测装置的实施例结构示意图。

图中标记说明：1-激光器，2-准直镜，3-孔径光阑，4-板条晶体，5-夹持工装，6-晶体热沉，7-加热焊台，8-聚焦透镜，9-光束分析仪，10-相机靶面。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。

如图1所示，本实施例提供一种板条晶体应力监测装置，包括依次设置的激光器1、准直镜2、孔径光阑3、板条晶体4、聚焦透镜8和光束分析仪9。

其中，激光器1用于产生激光光束，产生的激光光束射向准直镜2进行扩束增大，然后再射向孔径光阑3的光孔，穿过孔径光阑3的激光光束的光斑至少能够覆盖其出射对准的板条晶体4的横截面，激光光束在板条晶体4经过全反射后出射，再经过具有长焦距的聚焦透镜8聚焦到焦平面位置，而该位置刚好放置有光束分析仪9，准确的说，是光束分析仪9上用于接收激光光束的相机(CCD相机)靶面刚好位于聚焦透镜8出射的焦平面位置。

也就是说，板条晶体4没有外界受力干扰的情况下，激光器1产生的激光光束最终能够在光束分析仪9上形成稳定光斑，光束分析仪9可以记录光斑的形状、强度分布以及X、Y两个方向的发射角大小。

为了有效检测板条晶体4焊接过程中的应力变化，需要将板条晶体4水平放置在晶体热沉6上，板条晶体4和晶体热沉6之间放置有与板条晶体4底部尺寸一致的焊料(选择半导体封装常用的焊料，比如铟箔、铟丝、铟锡合金丝、铟合金箔等)，在晶体热沉6下方设有加热焊台7，用于加热焊料使得板条晶体4焊接在晶体热沉6上，同时板条晶体4上方设有负荷重量可调的夹持工装5，从而调节夹持工装5施加给板条晶体4的压力大小。

在上述实施例中，所述依次设置的激光器1、准直镜2、孔径光阑3、板条晶体4、聚焦透镜8和光束分析仪9优选中心处于同轴等高的位置。

在另一实施例中，激光器1优先选择气体激光器，当然也可以采用固体激光器、半导体激光器等比较合适的激光器1，气体激光器的优点在于，气体的光学均匀性好，因此，气体激光器的输出光束具有较好的方向性、单色性和较高的频率稳定性。

而在气体激光器中，优选采用He-Ne激光器，此种激光器1相比其它气体激光器(氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等)具有较好的光束质量。

在另一优选实施例中，板条晶体4侧面和底面设计有靠位面，使得板条晶体4与晶体热沉6贴合，确保焊接过程中的稳定性，更优选地，靠位面平行度不大于15角秒。

在另一优选实施例中，加热焊台7放置在校准过水平的光学平台上，确保加热焊台7的上表面是完全水平无俯仰的。

所述焊料优选采用0.1mm厚的铟箔。

上述内容描述了板条晶体应力监测装置的结构，分析了激光器1产生的激光光束的光斑如何投射到光束分析仪9的相机靶面10上并被记录的原理。

下面具体描述下如何通过板条晶体应力监测装置实现板条晶体4焊接的应力检测：

首先在板条晶体4焊接之前，夹持工装5不给板条晶体4施加压力，开启激光器1后，通过光束分析仪9记录光斑变化(包括光斑形状、光强分布以及X、Y两个方向的发散角等参数)。

在通过加热焊台7对板条晶体4进行焊接时，加热温度为200℃，板条晶体4和晶体热沉6之间的焊料熔化，根据光束分析仪9上的光斑变化情况实时调整夹持工装5的负荷重量来改变其施加给板条晶体4的压力，当光束分析仪9上的光斑形状、光强分布和两个方向的发散角大小与焊接前基本一致后，继续加热一段时间(5～10分钟)后，关闭加热焊台7开始降温，待熔化的铟箔重新凝固后，再观察光斑变化情况，反复上述操作(调整负荷-加热-降温凝固)，直至凝固后光束分析仪9上的光斑形状、光强分布和两个方向发散角与加热前基本一致，即可证明此时夹持工装5的负荷重量对晶体无应力或应力较小，从而完成板条晶体4的无应力焊接过程。

在整个焊接过程中，为了避免操作失误触碰晶体导致位置偏移，晶体热沉6下方可设计转接板固定在加热焊台7上。板条晶体4固定好之后，本申请通过调整加热前后夹持工装5的负荷重量来控制板条晶体4和底部热沉之间的压力，再借助上述应力检测方法，在板条晶体4底部的铟铂熔化过程中，通过观察光束分析仪9上光斑光束质量的变化情况来控制夹持工装5的负荷重量，最终实现板条晶体4的无应力焊接。

以上对本申请提供的一种板条晶体应力监测装置进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.板条晶体应力监测装置，其特征在于，包括依次设置的激光器(1)、准直镜(2)、孔径光阑(3)、板条晶体(4)、聚焦透镜(8)和光束分析仪(9)；

所述准直镜(2)将激光器(1)产生的激光光束扩束增大后射入孔径光阑(3)的光孔，穿过孔径光阑(3)的激光光束的光斑至少能够覆盖其对准的板条晶体(4)的横截面，经板条晶体(4)出射的激光光束通过聚焦透镜(8)进行聚焦，光束分析仪(9)的相机靶面(10)位于聚焦透镜(8)出射的焦平面位置上；

其中，所述板条晶体(4)水平放置在晶体热沉(6)上，晶体热沉(6)下方设有加热焊台(7)，板条晶体(4)上方设有负荷重量可调的夹持工装(5)，板条晶体(4)和晶体热沉(6)之间放置有与板条晶体(4)底部尺寸一致的焊料。

2.根据权利要求1所述的板条晶体应力监测装置，其特征在于，所述依次设置的激光器(1)、准直镜(2)、孔径光阑(3)、板条晶体(4)、聚焦透镜(8)和光束分析仪(9)同轴等高。

3.根据权利要求1或2所述的板条晶体应力监测装置，其特征在于，所述激光器(1)为气体激光器。

4.根据权利要求3所述的板条晶体应力监测装置，其特征在于，所述激光器(1)为He-Ne激光器。

5.根据权利要求1或2所述的板条晶体应力监测装置，其特征在于，所述板条晶体(4)侧面和底面设计有平行度不大于15角秒的靠位面，使得板条晶体(4)与晶体热沉(6)贴合。

6.根据权利要求1所述的板条晶体应力监测装置，其特征在于，所述加热焊台(7)放置在校准过水平的光学平台上。

7.根据权利要求1所述的板条晶体应力监测装置，其特征在于，所述焊料为铟箔。