RU2646431C1 - Method of assembly of a disk active element for high-heat radiator - Google Patents

Method of assembly of a disk active element for high-heat radiator Download PDF

Info

Publication number
RU2646431C1
RU2646431C1 RU2016148443A RU2016148443A RU2646431C1 RU 2646431 C1 RU2646431 C1 RU 2646431C1 RU 2016148443 A RU2016148443 A RU 2016148443A RU 2016148443 A RU2016148443 A RU 2016148443A RU 2646431 C1 RU2646431 C1 RU 2646431C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
active element
radiator
dielectric
disk
laser
Prior art date
Application number
RU2016148443A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Борисович Мухин
Иван Игоревич Кузнецов
Олег Валентинович Палашов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2016148443A priority Critical patent/RU2646431C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2646431C1 publication Critical patent/RU2646431C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers

Landscapes

  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

FIELD: instrument engineering.
SUBSTANCE: invention relates to laser technology and can be used to manufacture disk active elements of high-power lasers that provide effective cooling of the active medium. According to the invention, in the method the dielectric reflective and antireflective coatings are applied to the active element, a metallizing coating is applied to one of the ends and an active element is mounted on the radiator, made of high-conductivity dielectric material. Dielectric coatings are applied using ionic support, the assembly of the active element on the radiator is performed by soldering without the use of a vacuum chamber or a closed chamber with a reducing atmosphere.
EFFECT: invention provides minimum losses of laser radiation in the active element while maintaining a high value of laser breakdown when operating with pulsed radiation and a minimum value of phase distortions of radiation, and also allows reducing the thermal resistance between the active medium and the radiator and obtaining the maximum uniformity of thermal contact.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для изготовления активных элементов лазеров и их монтажа с целью организации эффективного охлаждения.The invention relates to laser technology and can be used for the manufacture of active elements of lasers and their installation in order to organize effective cooling.

Как правило, при организации оптической накачки твердотельных лазеров часть энергии этой накачки неизбежно преобразовывается в тепловую энергию, выделяющуюся внутри активного элемента. Такое тепловыделение приводит к увеличению температуры активного элемента и, как следствие, появляется необходимость отвода тепла от активного элемента. Данная задача является особенно важной для дисковых лазеров (см., например, Vetrovec, J., et al., Progress in the development of solid state disk laser in Solid State Lasers XIII: Technology and Devices, R. Scheps and H.J. Hoffman, Editors. 2004, Proc. SPIE: San Jose, USA. p. 235-243), где требуется достигать очень высоких плотностей энергии для эффективной работы лазера. При этом от активного элемента толщиной менее миллиметра и диаметром 10-20 мм требуется отводить до нескольких кВт тепла с сохранением минимально возможной температуры самого активного элемента. Это условие накладывает свою специфику на все технологии изготовления дисковых активных элементов и их монтажа на теплоотводящие основания.As a rule, when organizing the optical pumping of solid-state lasers, part of the energy of this pump is inevitably converted into thermal energy released inside the active element. Such heat release leads to an increase in the temperature of the active element and, as a result, it becomes necessary to remove heat from the active element. This task is especially important for disk lasers (see, for example, Vetrovec, J., et al., Progress in the development of solid state disk laser in Solid State Lasers XIII: Technology and Devices, R. Scheps and HJ Hoffman, Editors 2004, Proc. SPIE: San Jose, USA. P. 235-243), where very high energy densities are required for efficient laser operation. At the same time, it is required to remove up to several kW of heat from the active element with a thickness of less than a millimeter and a diameter of 10-20 mm while maintaining the lowest possible temperature of the active element itself. This condition imposes its specificity on all technologies for manufacturing disk active elements and their installation on heat-removing bases.

Известен дисковый элемент (K. Contag, U. Brauch, A. Giesen, I. Johannsen, M. Karszewski, U. Schiegg, C. Stewen, A. Voss, "Multihundred-watt diode-pumped Yb:YAG thin disc laser" (Proceedings Paper), Proceedings Vol. 2986, Solid State Lasers VI, Richard Scheps, Editors, pp. 2-9 (1997)), который представляет собой кристаллический диск активной среды с нанесенными с противоположных торцевых сторон просветляющим на длинах волн излучения накачки и генерации (940 и 1030 нм соответственно) и высокоотражающим (99,8%) на длинах волн накачки и генерации покрытиями. Причем для обеспечения теплоотвода от активной среды кристаллический диск стороной с нанесенным высокоотражающим покрытием присоединяется к медному основанию через промежуточный слой индиевой фольги. Такой способ имеет ряд недостатков, во-первых, адгезия чистого индия к диэлектрическим поверхностям мала по сравнению, например, с адгезией меди или хрома при их вакуумном напылении. Во-вторых, довольно сложной является задача организации равномерного контакта из-за быстрого окисления соединяемых поверхностей. Кроме того, такой способ не позволяет использовать другие припои кроме чистого индия для организации контакта между радиатором и дисковым активным элементом.Known disk element (K. Contag, U. Brauch, A. Giesen, I. Johannsen, M. Karszewski, U. Schiegg, C. Stewen, A. Voss, "Multihundred-watt diode-pumped Yb: YAG thin disc laser" (Proceedings Paper), Proceedings Vol. 2986, Solid State Lasers VI, Richard Scheps, Editors, pp. 2-9 (1997)), which is a crystalline disk of an active medium coated on the opposite ends with antireflection at the pump wavelengths and lasing (940 and 1030 nm, respectively) and highly reflective (99.8%) at pump and lasing wavelengths by coatings. Moreover, to ensure heat dissipation from the active medium, the crystalline disk is attached to the copper base through the intermediate layer of indium foil with the side coated with a highly reflective coating. This method has several disadvantages, firstly, the adhesion of pure indium to dielectric surfaces is small compared, for example, with the adhesion of copper or chromium during their vacuum deposition. Secondly, it is quite difficult to organize uniform contact due to the rapid oxidation of the surfaces to be joined. In addition, this method does not allow the use of solders other than pure indium to organize contact between the radiator and the disk active element.

Известен способ монтажа дисковых активных элементов (Sasaki J., Kaneyama Y., Honmou H., Itoh M. and Uji T., 1992, "Self-aligned Assembly Technology for Optical Devices Using AuSn Solder Bumps Flip-Chip Bonding" Proc. IEEE LEOS Annual Meeting, p. 260-261. Nov) с помощью пайки на индиевые и оловянно-золотые (Au-Sn) припои на различные виды радиаторов (в том числе, на композитные металлические радиаторы (например, CuW или CuMo). Для этого на зеркальную диэлектрическую поверхность напыляют металлические покрытия из титана, платины и серебра суммарной толщиной в доли мкм. После этого осуществляется бесфлюсовая пайка дискового элемента и теплоотвода. Как правило, бесфлюсовую пайку осуществляют в восстанавливающей среде или в вакууме, что значительно усложняет процесс монтажа (Potier N., Sindzingre T. and Rabia S., 1995, "Fluxless Soldering Under Activated Atmosphere at Ambient Pressure" Proc. SMI, p. 453-458). Кроме того, вакуумное напыление таких металлов, как титан, платина или серебро, в силу различных причин являются довольно дорогостоящими процессами.A known method of mounting disk active elements (Sasaki J., Kaneyama Y., Honmou H., Itoh M. and Uji T., 1992, "Self-aligned Assembly Technology for Optical Devices Using AuSn Solder Bumps Flip-Chip Bonding" Proc. IEEE LEOS Annual Meeting, p. 260-261. Nov) by soldering on indium and tin-gold (Au-Sn) solders for various types of radiators (including composite metal radiators (for example, CuW or CuMo). metal coatings of titanium, platinum and silver with a total thickness of a fraction of microns are sprayed onto the mirror dielectric surface, after which flux-free soldering of the disk element and heat are carried out As a rule, fluxless soldering is carried out in a reducing medium or in vacuum, which greatly complicates the installation process (Potier N., Sindzingre T. and Rabia S., 1995, "Fluxless Soldering Under Activated Atmosphere at Ambient Pressure" Proc. SMI, p .453-458.) In addition, the vacuum deposition of metals such as titanium, platinum or silver, for various reasons, are quite expensive processes.

Из числа известных технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления дискового активного элемента, размещенного на теплоотводящем основании, конструкция которого заявлена в патенте RU 2439761 (МПК H01S 3/06, опубл. 10.01.2012). В этом патенте активный элемент с нанесенными на противоположные торцевые стороны просветляющим и высокоотражающим покрытиями присоединяют через буферный слой к теплоотводящему основанию. Высокоотражающее покрытие состоит из комбинации многослойного диэлектрического и металлических покрытий, обеспечивающей коэффициент отражения не ниже 99% для длин волн в диапазоне от 930 до 1040 нм при углах падения излучения от 0° до 30°. Преимуществом такого выполнения активного элемента является снижение теплового сопротивления между активной средой и теплоотводящим основанием за счет замены нескольких диэлектрических слоев зеркала, имеющих небольшую теплопроводность, на металлическое зеркало. Металлическое зеркало представляет собой покрытие из серебра Ag, защищенное покрытием из хрома Cr, обеспечивающее отражение на уровне более 99% на длинах волн накачки и генерации. Вместо слоя серебра можно использовать слой меди Cu или золота Au. Дисковый активный элемент с нанесенными указанными покрытиями соединяют посредством холодной диффузионной сварки с теплоотводящим основанием (изготовленным из меди радиатором) после предварительного нанесения на соединяемые поверхности слоя индия In. Активный элемент, изготовленный описанным способом, обеспечивает увеличение средней выходной мощности более чем в 1,5 раза. Недостатком этого способа изготовления дисковых активных элементов является то, что значительно снижается порог пробоя зеркальной стороны активного элемента мощными лазерными импульсами из-за использования комбинированного покрытия зеркала. Кроме того, в предложенном решении рассмотрена возможность монтажа дискового активного элемента только на радиатор, изготовленный из меди. Медь обладает хорошей теплопроводностью, но коэффициент теплового расширения меди в несколько раз больше, чем у кристаллов, что приводит к появлению тепловых искажений излучения.Of the known technical solutions, the closest to the proposed invention is a method of manufacturing a disk active element placed on a heat sink, the design of which is claimed in patent RU 2439761 (IPC H01S 3/06, publ. 10.01.2012). In this patent, an active element with antireflective and highly reflective coatings deposited on opposite end faces is connected through a buffer layer to a heat sink base. A highly reflective coating consists of a combination of a multilayer dielectric and metal coatings, providing a reflection coefficient of at least 99% for wavelengths in the range from 930 to 1040 nm with radiation incidence angles from 0 ° to 30 °. The advantage of this embodiment of the active element is the reduction of thermal resistance between the active medium and the heat sink base by replacing several dielectric layers of the mirror having low thermal conductivity with a metal mirror. The metal mirror is an Ag silver coating protected by a Cr chromium coating, providing reflection at a level of more than 99% at the pump and generation wavelengths. Instead of a silver layer, you can use a layer of copper Cu or Au gold. The disk active element coated with the indicated coatings is connected by cold diffusion welding to a heat sink (made of copper radiator) after preliminary application of an In layer on the surfaces to be joined. An active element made in the described manner provides an increase in the average output power by more than 1.5 times. The disadvantage of this method of manufacturing disk active elements is that the breakdown threshold of the mirror side of the active element by powerful laser pulses is significantly reduced due to the use of a combined mirror coating. In addition, the proposed solution considers the possibility of mounting a disk active element only on a radiator made of copper. Copper has good thermal conductivity, but the coefficient of thermal expansion of copper is several times greater than that of crystals, which leads to the appearance of thermal distortions of radiation.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа изготовления дискового активного элемента, смонтированного на высокотеплопроводный радиатор путем пайки, обеспечивающего минимальные потери лазерного излучения в активном элементе с сохранением высокой величины лазерного пробоя при работе с импульсным излучением, позволяющего сохранить минимальную величину фазовых искажений излучения и снизить тепловое сопротивление между активной средой и радиатором, а также позволяющего получить максимальную однородность теплового контакта.The problem to which the present invention is directed, is to develop a method for manufacturing a disk active element mounted on a highly heat-conducting radiator by soldering, ensuring minimal loss of laser radiation in the active element while maintaining a high value of laser breakdown when working with pulsed radiation, which allows to maintain a minimum value of phase distortion radiation and reduce thermal resistance between the active medium and the radiator, as well as allowing to obtain maxim nuyu uniformity of thermal contact.

Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный способ монтажа дискового активного элемента на высокотеплопроводный радиатор, как и способ-прототип, включает в себя нанесение на активный элемент диэлектрических отражающих и просветляющих покрытий, затем нанесение металлизирующего покрытия на активный элемент и монтаж активного элемента на радиатор.The technical result in the developed method is achieved by the fact that the developed method for mounting a disk active element on a high-heat radiator, as well as the prototype method, includes applying dielectric reflective and antireflective coatings to the active element, then applying a metallizing coating on the active element and mounting the active element on radiator.

Новым в разработанном способе является то, что радиатор изготавливают из высокотеплопроводного диэлектрического материала, например, CVD-алмаза или карбида кремния, диэлектрические покрытия наносят с использованием ионного сопровождения, одну из поверхностей радиатора металлизируют и осуществляют монтаж активного элемента на радиатор путем пайки без использования вакуумной камеры (или замкнутой камеры с восстанавливающей атмосферой).New in the developed method is that the radiator is made of highly heat-conducting dielectric material, for example, CVD diamond or silicon carbide, dielectric coatings are applied using ion support, one of the surfaces of the radiator is metallized and the active element is mounted on the radiator by soldering without using a vacuum chamber (or a closed chamber with a restorative atmosphere).

Для нанесения диэлектрических покрытий используется установка напыления с ионным сопровождением [Stewart, A.F., Lu, S., Tehrani, М., Volk, C., "Ion Beam Sputtering of Optical Coatings", in "Laser-Induced Damage in Optical Materials", Proceedings of SPffi, Vol. 2114, pp. 662-677, (1994)], что позволяет увеличить теплопроводность диэлектрического зеркала в ~10 раз, устранив недостаток диэлектрического напыления, используемый при изготовлении активного элемента, описанного в патенте RU 2439761. С другой стороны, напыление с ионным сопровождением обладает большой величиной порога пробоя лазерным импульсом, что позволяет использовать дисковый активный элемент для усиления или генерации высокоэнергетических лазерных импульсов.For deposition of dielectric coatings, an ion-assisted spraying unit is used [Stewart, AF, Lu, S., Tehrani, M., Volk, C., "Ion Beam Sputtering of Optical Coatings", in "Laser-Induced Damage in Optical Materials" Proceedings of SPffi, Vol. 2114, pp. 662-677, (1994)], which allows to increase the thermal conductivity of the dielectric mirror by a factor of ~ 10, eliminating the lack of dielectric spraying used in the manufacture of the active element described in patent RU 2439761. On the other hand, sputtering with ionic support has a large breakdown threshold laser pulse, which allows the use of a disk active element for amplification or generation of high-energy laser pulses.

При напылении металлического покрытия непосредственно на стандартное диэлектрическое зеркальное покрытие величина отражения диэлектрического зеркала немного уменьшается (с 99,9% до ~99,0%). Для устранения этого эффекта необходимо изменить структуру диэлектрических слоев зеркала. В разработанном способе новым является напыление высокотеплопроводного слоя Al2O3 непосредственно после напыления стандартного диэлектрического зеркала. Это позволяет сохранить максимально высокую величину отражения зеркала независимо от материала, соприкасающегося с задней поверхностью дискового активного элемента (вакуумная металлизация, индиевая фольга, эпоксидный клей и т.д.). Осуществляется металлизация не только активного элемента, но и диэлектрического высокотеплопроводного радиатора, выполненного из CVD-алмаза или карбида кремния. Металлизация спаиваемых поверхностей осуществляется с помощью магнетронного напыления, позволяющего наносить большие (вплоть до 100 мкм) слои меди на спаиваемые поверхности. Это позволяет защитить слой хрома, используемого для лучшей адгезии, от расплава припоя.When a metal coating is sprayed directly onto a standard dielectric mirror coating, the reflection value of the dielectric mirror decreases slightly (from 99.9% to ~ 99.0%). To eliminate this effect, it is necessary to change the structure of the dielectric layers of the mirror. In the developed method, the spraying of a highly conductive Al 2 O 3 layer immediately after the spraying of a standard dielectric mirror is new. This allows you to maintain the highest possible reflection of the mirror, regardless of the material in contact with the rear surface of the disk active element (vacuum metallization, indium foil, epoxy adhesive, etc.). Metallization is carried out not only of the active element, but also of a dielectric high-heat-conducting radiator made of CVD diamond or silicon carbide. Metallization of the soldered surfaces is carried out using magnetron sputtering, which makes it possible to deposit large (up to 100 microns) layers of copper on the soldered surfaces. This protects the chromium layer used for better adhesion from molten solder.

Пайку активного элемента и высокотеплопроводного радиатора осуществляют в два этапа: сначала поверхности залуживают с использованием флюса, например, орто-фосфорной кислоты. Затем спаиваемые поверхности механически чистят и соединяют. Такой процесс позволяет значительно упростить процесс пайки, а механическая очистка от остатков флюса позволяет обеспечить необходимую однородность теплового контакта.The soldering of the active element and the highly heat-conducting radiator is carried out in two stages: first, the surfaces are tinned using flux, for example, phosphoric acid. Then the soldered surfaces are mechanically cleaned and joined. Such a process can significantly simplify the soldering process, and mechanical cleaning of residual flux allows you to provide the necessary uniformity of thermal contact.

В первом частном случае реализации разработанного способа целесообразно выбрать активный элемент, изготовленный из легированного иттербием иттрий-алюминиевого граната (Yb: YAG).In the first particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to choose an active element made of yttrium-doped yttrium-aluminum garnet (Yb: YAG).

Во втором частном случае реализации разработанного способа целесообразно выбрать активный элемент, изготовленный из лазерной керамики, легированной иттербием: Yb:Y2O3, Yb:Lu2O3, Yb:Sc2O3, Yb:LuAG.In the second particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to choose an active element made of ytterbium-doped laser ceramics: Yb: Y2O3, Yb: Lu2O3, Yb: Sc2O3, Yb: LuAG.

В третьем частном случае реализации разработанного способа целесообразно использовать дисковый активный элемент, изготовленный из двух частей: легированной толщиной 0,1-1 мм и нелегированной толщиной 0,5-3 мм, соединенных способом термодиффузионной сваркиIn the third particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to use a disk active element made of two parts: alloyed with a thickness of 0.1-1 mm and undoped thickness of 0.5-3 mm, connected by thermal diffusion welding

В четвертом частном случае реализации разработанного способа целесообразно использовать для активного элемента материалы, легированные тулием или гольмием.In the fourth particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to use materials doped with thulium or holmium for the active element.

Изобретение поясняется следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение активного элемента, смонтированного на диэлектрическом высокотеплопроводном радиаторе, полученного заявленным способом.In FIG. 1 is a schematic illustration of an active element mounted on a dielectric high-heat radiator obtained by the claimed method.

На фиг. 2 представлен внешний вид активного элемента, смонтированного на диэлектрический высокотеплопроводный радиатор из карбида кремния.In FIG. 2 shows the appearance of an active element mounted on a dielectric highly heat-conducting silicon carbide radiator.

На фиг. 3 представлены температурный (а) и фазовый (б) профили активного элемента, смонтированного на диэлектрическом высокотеплопроводном радиаторе, полученного заявленным способом.In FIG. 3 shows the temperature (a) and phase (b) profiles of the active element mounted on a dielectric high-heat radiator obtained by the claimed method.

Осуществление разработанного способа монтажа дискового активного элемента на высокотеплопроводный радиатор в соответствии с п.1 формулы описано на конкретном примере.The implementation of the developed method for mounting a disk active element on a highly heat-conducting radiator in accordance with claim 1 of the formula is described by a specific example.

Пример 1: Дисковый активный элемент 1 (фиг. 1), изготовленный из Yb:YAG, диаметром от 5 до 20 мм и толщиной от 0,1 до 2 мм (в зависимости от задачи) полируют с обоих торцов, обеспечивая плоскостность торцов с точностью до 200 нм, а микрошероховатость менее 10 ангстрем. Также изготавливают высокотеплопроводный радиатор 2 из карбида кремния или CVD-алмаза толщиной 1-2 мм и диаметром на ~10 мм больше диаметра активного элемента 1. Теплопроводность CVD-алмаза должна составлять более 1300 Вт/(м⋅К), а теплопроводность карбида кремния должна быть больше 400 Вт/(м⋅К). Затем, на один торец активного элемента 1 наносят диэлектрическое антиотражающее покрытие (диэлектрическое просветление) 3, величина отражения от которого должна составлять менее 0,2% на длине волны излучения 1030 нм. На противоположный торец активного элемента 1 наносят высокоотражающее диэлектрическое покрытие (диэлектрическое зеркало) 4 с величиной отражения более 99,8% на длинах волн 1030 нм и 940 нм. Затем, на торец с высокоотражающим покрытием 4 наносят слой оксида алюминия 5 толщиной 200÷300 нм для «развязки» диэлектрического зеркала 4 с материалами, необходимыми для монтажа активного элемента 1. Нанесение диэлектрических покрытий 3 и 4 осуществляют с использованием установки напыления с ионным сопровождением.Example 1: Disk active element 1 (Fig. 1) made of Yb: YAG, with a diameter of 5 to 20 mm and a thickness of 0.1 to 2 mm (depending on the task) is polished from both ends, ensuring the flatness of the ends with accuracy up to 200 nm, and micro roughness less than 10 angstroms. A highly heat-conducting radiator 2 is also made of silicon carbide or CVD diamond with a thickness of 1-2 mm and a diameter of ~ 10 mm larger than the diameter of the active element 1. The thermal conductivity of CVD diamond should be more than 1300 W / (m⋅K), and the thermal conductivity of silicon carbide should be more than 400 W / (m⋅K). Then, a dielectric antireflection coating (dielectric coating) 3 is applied to one end of the active element 1, the reflection value from which should be less than 0.2% at a radiation wavelength of 1030 nm. A highly reflective dielectric coating (dielectric mirror) 4 is applied to the opposite end of the active element 1 with a reflection value of more than 99.8% at wavelengths of 1030 nm and 940 nm. Then, an aluminum oxide 5 layer 200–300 nm thick is applied to the end face with a highly reflective coating 4 to “decouple” the dielectric mirror 4 with the materials necessary for mounting the active element 1. The dielectric coatings 3 and 4 are applied using an ion sputtering unit.

Затем на слой 5 Al2O3 напыляют металлический слой 6, состоящий из слоя хрома толщиной 0,1-0,2 мкм для обеспечения хорошей адгезии металла с диэлектрической поверхностью и последующего слоя меди толщиной до 50 мкм. Нанесение слоя 6 осуществляют на установке магнетронного напыления. Такая большая величина слоя меди позволяет эффективно защитить слой хрома от взаимодействия с припоем 7 и обеспечивает максимальную однородность теплового контакта. Аналогично выполняют металлизацию поверхности диэлектрического высокотеплопроводного радиатора 2, изготовленного из CVD-алмаза или карбида кремния.Then, a metal layer 6 consisting of a chromium layer 0.1-0.2 μm thick is sprayed onto the Al 2 O 3 layer 5 to ensure good adhesion of the metal to the dielectric surface and the subsequent copper layer up to 50 μm thick. The application of layer 6 is carried out on the installation of magnetron sputtering. Such a large value of the copper layer allows you to effectively protect the chromium layer from interaction with solder 7 and ensures maximum uniformity of thermal contact. Similarly, metallization of the surface of the dielectric high-heat radiator 2 is made of CVD diamond or silicon carbide.

После напыления металлизирующих покрытий 6 осуществляют пайку активного элемента 1 и радиатора 2. Для этого спаиваемые поверхности покрывают тонким слоем флюса (раствор ортофосфорной кислоты), нагревают и лудят индиевым или оловянно-серебряным припоем 7. Затем остатки флюса и окисел припоя 7 удаляют с обеих поверхностей фторопластовым скребком, и поверхности соединяют. Толщина припоя 7 должна составлять менее 50 мкм. Такой процесс позволяет значительно упростить процесс пайки, а механическая очистка от остатков флюса позволяет обеспечить необходимую однородность теплового контакта. Фотография активного элемента 1, смонтированного на диэлектрический радиатор 2, полученного в соответствии с пунктом 1 формулы, представлена на фиг. 2.After spraying the metallizing coatings 6, the active element 1 and the radiator 2 are brazed. For this, the surfaces to be soldered are coated with a thin flux layer (phosphoric acid solution), heated and tinned with indium or tin-silver solder 7. Then the residual flux and solder oxide 7 are removed from both surfaces fluoroplastic scraper, and the surfaces are connected. The thickness of the solder 7 should be less than 50 microns. Such a process can significantly simplify the soldering process, and mechanical cleaning of residual flux allows you to provide the necessary uniformity of thermal contact. A photograph of the active element 1 mounted on a dielectric radiator 2 obtained in accordance with claim 1 is shown in FIG. 2.

После осуществления монтажа выполняется проверка его качества. Исследуют фазовые искажения излучения на всей апертуре активного элемента с помощью интерферометра. Если на 90% площади активного элемента 1 изменение оптического пути одинаково с точностью до 1 мкм и хорошо аппроксимируется параболической кривой (фиг. 3, б), то качество монтажа признается удовлетворительным с точки зрения внесения дополнительных искажений излучения. Дополнительно исследуют качество теплового контакта. Для нагревания смонтированного активного элемента 1 на него направляется лазерный пучок диаметром, сравнимым с диаметром активного элемента 1 с излучением на длине волны 940 нм и мощностью несколько десятков ватт. Одновременно, с помощью инфракрасной камеры выполняют измерение профиля температуры поверхности образца. Если профиль температуры совпадает с профилем нагревающего излучения и не содержит локальных неоднородностей (фиг. 3, а), качество теплового контакта признается удовлетворительным с точки зрения однородности теплового контакта.After the installation, its quality is checked. Investigate the phase distortion of radiation at the entire aperture of the active element using an interferometer. If over 90% of the area of the active element 1, the change in the optical path is the same with an accuracy of 1 μm and is well approximated by a parabolic curve (Fig. 3b), then the installation quality is considered satisfactory from the point of view of introducing additional radiation distortions. Additionally investigate the quality of thermal contact. To heat the mounted active element 1, a laser beam is directed at it with a diameter comparable to the diameter of the active element 1 with radiation at a wavelength of 940 nm and a power of several tens of watts. At the same time, an infrared camera measures the temperature profile of the surface of the sample. If the temperature profile coincides with the profile of the heating radiation and does not contain local inhomogeneities (Fig. 3, a), the quality of thermal contact is considered satisfactory from the point of view of uniformity of thermal contact.

В результате, после монтажа дискового активного элемента 1 из Yb:YAG на радиатор 2 из CVD-алмаза удалось продемонстрировать высокое (более 50%) оптическое КПД лазерной установки при суб-кВт мощности излучения. Эти значения соответствуют рекордным результатам основных мировых аналогов, что подтверждает высокое качество монтажа активного элемента.As a result, after mounting the disk active element 1 from Yb: YAG onto the radiator 2 from CVD diamond, it was possible to demonstrate a high (more than 50%) optical efficiency of the laser system at sub-kW radiation power. These values correspond to the record results of the main world analogues, which confirms the high quality of installation of the active element.

Ниже приведены примеры изготовления и монтажа дискового активного элемента на диэлектрический высокотеплопроводный радиатор в соответствии с частными случаями реализации предлагаемого способа, заявленными в пунктах 3-5 формулы.Below are examples of the manufacture and installation of a disk active element on a dielectric high-heat-conducting radiator in accordance with the special cases of the implementation of the proposed method, as claimed in paragraphs 3-5 of the formula.

Пример 2. Способ монтажа дискового активного элемента 1 согласно п. 3 формулы из оптической керамики, легированной иттербием (Yb:YAG, Yb:Y2O3, Yb:Lu2O3, Yb:Sc2O3, Yb:LuAG). Предварительная подготовка дискового активного элемента 1 и способ монтажа близки к описанным выше в примере 1. Однако отличительной особенностью данного способа является то, что при подготовке (шлифовке и полировке) торцов активного элемента 1 из оптической керамики необходимо обеспечить отсутствие «открытых пузырьков» на поверхности элемента (поскольку наличие «пузырьков» в объеме характерно для оптической керамики из-за метода ее изготовления).Example 2. The method of mounting a disk active element 1 according to claim 3 of the formula of ytterbium-doped optical ceramics (Yb: YAG, Yb: Y 2 O 3 , Yb: Lu 2 O 3 , Yb: Sc 2 O 3 , Yb: LuAG) . Preliminary preparation of the disk active element 1 and the mounting method are close to those described in Example 1. However, a distinctive feature of this method is that when preparing (grinding and polishing) the ends of the active element 1 from optical ceramics, it is necessary to ensure that there are no "open bubbles" on the surface of the element (since the presence of “bubbles” in the volume is characteristic of optical ceramics due to the method of its manufacture).

Согласно способу, описанному в примере 2, на CVD-алмаз смонтирован керамический дисковый активный элемент из Yb:Lu2O3. На лазерной установке удалось продемонстрировать высокое (более 50%) оптическое КПД с мощностью излучения 200 Вт, что подтверждает высокое качество монтажа активного элемента.According to the method described in example 2, a ceramic disk active element from Yb: Lu 2 O 3 is mounted on a CVD diamond. At the laser installation, it was possible to demonstrate high (over 50%) optical efficiency with a radiation power of 200 W, which confirms the high quality of installation of the active element.

Пример 3. Особенностью реализации разработанного способа монтажа дискового активного элемента 1 на высокотеплопроводный радиатор 2 по п. 4 формулы является то, что активный элемент 1 изготавливают из двух частей, соединенных способом термодиффузионной сварки. Этот способ монтажа близок к способам, описанным в примерах 1-2, однако из-за композитной структуры дискового активного элемента 1, его толщина может составлять несколько мм. Поэтому, во избежание появления сильных напряжений в слое припоя 7, вызванных различными коэффициентами теплового расширения дискового активного элемента 1 и высокотеплопроводного радиатора 2, допускается увеличение толщины слоя припоя 7 до 100-200 мкм в зависимости от геометрии активного элемента 1.Example 3. A feature of the implementation of the developed method for mounting a disk active element 1 on a highly heat-conducting radiator 2 according to claim 4 of the formula is that the active element 1 is made of two parts connected by thermal diffusion welding. This mounting method is close to the methods described in examples 1-2, however, due to the composite structure of the disk active element 1, its thickness may be several mm. Therefore, in order to avoid the appearance of strong stresses in the solder layer 7 caused by different coefficients of thermal expansion of the disk active element 1 and the highly heat-conducting radiator 2, it is allowed to increase the thickness of the solder layer 7 to 100-200 μm depending on the geometry of the active element 1.

Пример 4. Способ монтажа дискового активного элемента 1, предназначенного для работы в инфракрасном диапазоне длин волн, на высокотеплопроводный радиатор 2 выполняют согласно п. 5 формулы. Этот способ монтажа близок к способам, описанным в примерах 1-3, однако легирование дискового активного элемента 1 осуществлено не иттербием, а тулием или гольмием, для которых характерны лазерные переходы в диапазоне 1,5÷2,1 мкм. Как следствие, напыление диэлектрических покрытий (просветления 3, зеркала 4 и слоя оксида алюминия 5) должно быть рассчитано и осуществлено с учетом других длин волн излучения, соответствующих лазерным переходам выбранного материала.Example 4. The method of mounting a disk active element 1, designed to operate in the infrared wavelength range, on a highly conductive radiator 2 is performed according to paragraph 5 of the formula. This mounting method is close to the methods described in examples 1-3, however, the doping of the disk active element 1 is carried out not with ytterbium, but with thulium or holmium, which are characterized by laser transitions in the range of 1.5 ÷ 2.1 μm. As a result, the deposition of dielectric coatings (enlightenment 3, mirror 4 and alumina layer 5) must be calculated and carried out taking into account other radiation wavelengths corresponding to laser transitions of the selected material.

Таким образом, предложенный способ монтажа дискового активного элемента на высокотеплопроводный радиатор позволяет получить технический результат, не уступающий основным известным мировым аналогам. Заявленный способ позволяет решить поставленную задачу эффективного и равномерного теплоотвода от дискового активного элемента с обеспечением равномерного теплового контакта и минимальных фазовых искажений излучения.Thus, the proposed method of mounting a disk active element on a highly heat-conducting radiator allows to obtain a technical result that is not inferior to the main known world analogues. The claimed method allows to solve the problem of efficient and uniform heat removal from the disk active element with uniform thermal contact and minimal phase distortion of the radiation.

Claims (5)

1. Способ монтажа дискового активного элемента на высокотеплопроводный радиатор, основанный на нанесении диэлектрических отражающих и просветляющих покрытий на активный элемент, нанесении металлизирующего покрытия на активный элемент и монтаже активного элемента на радиатор, отличающийся тем, что диэлектрические покрытия наносят с использованием ионного сопровождения, радиатор изготавливают из высокотеплопроводного диэлектрического материала, одну из поверхностей радиатора металлизируют и осуществляют монтаж активного элемента на радиатор путем пайки без использования вакуумной камеры или замкнутой камеры с восстанавливающей атмосферой.1. The method of mounting a disk active element on a highly conductive radiator based on applying dielectric reflective and antireflective coatings on the active element, applying a metallizing coating on the active element and mounting the active element on the radiator, characterized in that the dielectric coating is applied using ionic support, the radiator is made from a highly conductive dielectric material, one of the surfaces of the radiator is metallized and the active element is mounted to the radiator by soldering without using a vacuum chamber or a closed chamber with a reducing atmosphere. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала для дискового активного элемента используют монокристалл алюмоиттриевого граната, легированного иттербием (Yb:YAG).2. The method according to p. 1, characterized in that the material for the disk active element using a single crystal of yttrium-aluminum garnet doped with ytterbium (Yb: YAG). 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала для дискового активного элемента используют оптическую керамику, легированную иттербием: Yb:YAG, Yb:Y2O3, Yb:Lu2O3, Yb:Sc2O3, Yb:LuAG.3. The method according to p. 1, characterized in that the material for the disk active element using optical ceramics doped with ytterbium: Yb: YAG, Yb: Y 2 O 3 , Yb: Lu 2 O 3 , Yb: Sc 2 O 3 Yb: LuAG. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дисковый активный элемент изготавливают из двух частей: легированной толщиной 0,1-1 мм и нелегированной толщиной 0,5-3 мм, соединенных способом термодиффузионной сварки.4. The method according to p. 1, characterized in that the disk active element is made of two parts: alloyed with a thickness of 0.1-1 mm and undoped with a thickness of 0.5-3 mm, connected by thermal diffusion welding. 5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что материал для дискового активного элемента легируют тулием или гольмием.5. The method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the material for the disk active element is doped with thulium or holmium.
RU2016148443A 2016-12-09 2016-12-09 Method of assembly of a disk active element for high-heat radiator RU2646431C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016148443A RU2646431C1 (en) 2016-12-09 2016-12-09 Method of assembly of a disk active element for high-heat radiator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016148443A RU2646431C1 (en) 2016-12-09 2016-12-09 Method of assembly of a disk active element for high-heat radiator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2646431C1 true RU2646431C1 (en) 2018-03-05

Family

ID=61568572

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016148443A RU2646431C1 (en) 2016-12-09 2016-12-09 Method of assembly of a disk active element for high-heat radiator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2646431C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2402125C2 (en) * 2008-12-26 2010-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Центр лазерных технологий" (ООО "ЦЛТ") Scanning laser
RU2439761C1 (en) * 2010-10-11 2012-01-10 Федеральное государственное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Active element of disc laser
EP2475054A1 (en) * 2011-01-05 2012-07-11 UAB "Ekspla" Collinearly pumped multiple thin disk active medium and its pumping scheme

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2402125C2 (en) * 2008-12-26 2010-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Центр лазерных технологий" (ООО "ЦЛТ") Scanning laser
RU2439761C1 (en) * 2010-10-11 2012-01-10 Федеральное государственное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Active element of disc laser
EP2475054A1 (en) * 2011-01-05 2012-07-11 UAB "Ekspla" Collinearly pumped multiple thin disk active medium and its pumping scheme

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5796766A (en) Optically transparent heat sink for longitudinally cooling an element in a laser
DK2652844T3 (en) Laser amplification module and manufacturing method
US4210389A (en) Bond and method of making the same
US7924895B2 (en) Monolithic diode-pumped laser cavity
WO2006130180A2 (en) Glaze cladding for laser components and method of encapsulation
JPWO2005091446A1 (en) Solid state laser equipment
US9478936B2 (en) Laser crystal components joined with thermal management devices
US20050074041A1 (en) Diamond cooled laser gain assembly using low temperature contacting
US20040052283A1 (en) Expansion matched thin disk laser and method for cooling
Tsunekane et al. High-power operation of diode edge-pumped, glue-bonded, composite Yb: Y3Al5O12 microchip laser with ceramic, undoped YAG pump light-guide
RU2646431C1 (en) Method of assembly of a disk active element for high-heat radiator
JP3011136B2 (en) Pumped solid-state laser device
RU2439761C1 (en) Active element of disc laser
RU2687088C1 (en) Active element of a disk laser with a cooling system
JP2007299962A (en) Thin disk laser device
JP2004356479A (en) Laser equipment
Vretenar et al. Thermal and stress characterization of various thin disk laser configurations at room temperature
JP2010021224A (en) Laser device
JP3338714B2 (en) Semiconductor laser pumped solid-state laser device
JPH114029A (en) Excitation-type solid-state laser device
Tsunekane et al. High-power operation of diode edge-pumped, composite microchip Yb: YAG laser with ceramic pump wave-guide
KR20100043709A (en) Small size solide state laser pumped by high power laser diode
Kausas et al. Distributed face cooling scheme for tiny laser power scale-up
Taira et al. High-power edge pumped Yb: YAG single crystal/YAG ceramics hybrid microchip laser
Tang et al. Design of diode-pumped 10 kW high power Nd: YAG disc laser

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191210