一种热沉及具有该热沉的激光器的制造方法
【专利摘要】本发明属于全固态激光器领域，尤其涉及一种热沉及具有该热沉的激光器。一种热沉，用于固定薄片增益介质，包括一基体，于所述基体的中心处贯设有冷却通道；所述基体上具有吸附所述薄片增益介质的固定部；所述固定部包括设于所述基体端部的吸附通道和与所述吸附通道连通的导气孔。本发明还提供一种含有该热沉的激光器。本发明中的热沉，通过在基体端面设置吸附通道和导气孔，通过导气孔抽出所述吸附通道内的气体产生真空负压吸附固定所述薄片增益介质，减少固定所述薄片增益介质时产生的残余应力，使用中，所述薄片增益介质不易变形，可靠性佳，保证了激光器中激光的增益性能。
【专利说明】一种热沉及具有该热沉的激光器
【技术领域】
[0001]本发明属于全固态激光器领域，尤其涉及一种热沉及具有该热沉的激光器。
【背景技术】
[0002]全固态激光器(DPSSL, D1de pumped solid state laser)是指以半导体激光器(LD)作为泵浦源的固体激光器，其增益介质、泵浦源部分均由固体物质构成，因此集中了传统固体激光器和半导体激光器的优势于一身。具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、易操作、运转灵活(可连续运转、脉冲运转)、易智能化、无污染等优点，是目前最具潜力的激光源之一。
[0003]薄片激光器是全固态激光器的一种，自Adolf.Giesen等人1994年首次实现薄片激光器以来【参考 A.Giesen et al.Scalable concept for d1de-pumped high-powersolid state lasers, Applied Physics B:Lasers and optics58, 365-372 (1994)】，得到了迅速发展。如图1所示，薄片增益介质采用厚度很小而横向尺寸较大的薄片状材料作为激光的增益介质，将薄片增益介质固定在高热导率的紫铜热沉上，紫铜热沉上有冷却液微通道。由于薄片介质的面积很大、厚度很小，因此增益介质上的热量可以快速、有效的传递给微通道冷却热沉，再由冷却液带走。所以薄片激光器具有可以高效导出增益介质内的热沉积、减弱增益介质的热透镜效应等优点，因此可以实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出。由于薄片激光器具有上述优点，因此已广泛应用于国防军事、科学研究、工业生产等各个方面。
[0004]由于圆形薄片增益介质产生的激光具有圆对称性，而常用的光学元器件一般都是圆形，因此能够很好的匹配各种光学元器件，且具有圆对称性的激光束在工业等领域具有广泛应用，所以薄片激光器增益介质形状一般为圆形。
[0005]现有薄片激光器增益介质的固定方式有:焊接方法、夹持方法等。但是，焊接技术比较困难，焊接效果不理想，且成本较高。如图1所示，采用焊接或者夹持方法将薄片增益介质200的一面固定在紫铜热沉100’上，会在增益介质内产生应力，在高功率二极管激光泵浦下，薄片增益介质200内残存的应力会引起薄片增益介质200变形，使得高功率二极管泵浦光的能量分布不均匀会导致薄片增益介质200上温度分布不均匀，引起薄片增益介质膨胀不均匀，从而加剧薄片增益介质的变形，严重时甚至会引起薄片增益介质断裂。从而影响激光器的稳定性，导致激光器输出功率及光束质量下降，
[0006]另外，如图2所示，现有薄片激光器采用微通道10’进行冷却。在紫铜热沉100’上，密集的平行排列多条冷却液通道10’，冷却液从下方入口处101’进入，在微通道10’内发生热交换，带走部分热量，然后从上方出口处101’流出，冷却液流出后，在外部经过风冷冷却，然后再次流入紫铜热沉100’，如此不断循环，从而维持紫铜热沉100’的温度。这种冷却方式的结果是在整个面上达到近似均匀的冷却力度。而一般的薄片激光器采用光纤耦合输出的二极管激光器泵浦。二极管激光经过光纤耦合输出之后，近似为高斯分布，如图3所示。可见，加载到薄片增益介质200的泵浦光能量集中在中心，中心处能量密度最高，边缘能量密度较弱。而如图2所示的普通的微通道10’冷却热沉为均匀冷却，这样会导致增益介质中心处冷却效果不佳，温度最高，而边缘处温度较低。当薄片激光器高功率运转时，泵浦光功率较高，由于中心处功率密度较大，热量较多，导致中心处温度高，所以中心处增益介质的膨胀较严重，导致增益介质中心处向外膨胀较大，形成类似倒扣的“碗状”变形，这就是薄片激光器的热透镜效应。在高功率运行时，薄片增益介质200的热透镜效应会影响激光器的输出功率、稳定性及光束质量。当薄片增益介质200膨胀变形超过材料的承受能力，甚至会导致薄片增益介质炸裂。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种热沉及具有该热沉的激光器，旨在解决现有技术中薄片增益介质固定后留有残余应力，容易变形，使用可靠性差的问题。
[0008]本发明是这样实现的:一种热沉，用于固定薄片增益介质，包括一基体，于所述基体的中心处贯设有用于导引冷却液冷却所述薄片增益介质的冷却通道；所述基体上具有用于将所述薄片增益介质吸附固定的固定部；所述固定部包括设于所述基体端部用于吸附所述薄片增益介质的边缘区域的吸附通道和与所述吸附通道连通用于抽出所述吸附通道内的气体形成真空的导气孔。
[0009]进一步地，所述吸附通道设有多个，各所述吸附通道对应连通有一导气孔。
[0010]进一步地，各所述导气孔与所述吸附通道相交设置。
[0011]进一步地，各所述吸附通道沿所述基体的中心线阵列布置。
[0012]进一步地，所述吸附通道为一圆弧槽。
[0013]进一步地，所述吸附通道合围设于所述冷却通道的周围。
[0014]进一步地，所述冷却通道包括沿所述基体中心线设置用于冷却所述薄片增益介质中心的中心冷却通道和环绕所述基体中心线阵列布置用于冷却所述薄片增益介质中心周边的周边冷却通道。
[0015]进一步地，所述中心冷却通道为纵向贯穿所述基体的通孔；所述周边冷却通道为纵向贯穿所述基体的通槽；所述通槽的横截面呈扇形。
[0016]进一步地，于所述基体上固定所述薄片增益介质的端部，所述周边冷却通道的出口面与所述薄片增益介质之间的间距沿所述基体的中心线径向向外逐渐增大，并大于所述中心冷却通道的出口面与所述薄片增益介质之间的间距。
[0017]与现有技术相比，本发明中的热沉，通过在基体端面设置吸附通道，并设置与所述吸附通道连通的导气孔与外部的真空设备相连，从而将所述吸附通道内的气体抽出产生真空负压吸附固定所述薄片增益介质，这样，通过气体的负压将所述薄片增益介质固定，不同于现有的对薄片增益介质直接作用而固定的方式，减少固定所述薄片增益介质时产生的残余应力，使用中，所述薄片增益介质不易变形，可靠性佳。
[0018]另外，本发明还提供了一种激光器，其包括一薄片增益介质和热沉，所述薄片增益介质固定于所述热沉上，其中，所述热沉为上述任一项所述的热沉。
[0019]本发明提供的一种激光器，由于采用了上述的热沉固定所述薄片增益介质时，所述薄片增益介质产生的残余应力小，使得所述薄片增益介质不易变形，可靠性佳，进而保证了激光经过所述增益介质后的输出功率及光束质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是现有技术中薄片增益介质安装于热沉上的立体结构示意图；
[0021]图2是现有技术中热沉的立体结构示意图；
[0022]图3是现有技术中常用的薄片增益介质的泵浦光能量的分布示意图；
[0023]图4是本发明实施例中热沉的立体剖面示意图；
[0024]图5是本发明实施例中热沉的侧视剖面示意图；
[0025]图6是本发明实施例中热沉的仰视示意图；
[0026]图7是本发明实施例中薄片增益介质安装于热沉上的示意图；
[0027]图8是本发明实施例中密封盖的示意图。
[0028]标记说明:
[0029]100’ 紫铜热沉21 连接孔
[0030]10’ 微通道22 周边进液孔
[0031]101’ 入口处23 周边出液孔
[0032]102’ 出口处24 中心进液孔
[0033]200 薄片增益介质 25 中心出液孔
[0034]100 热沉102 周边冷却通道
[0035]I基体11 固定部
[0036]2密封盖111 吸附通道
[0037]201 工作区域112 导气孔
[0038]202 非工作区域 12 固定孔
[0039]10 冷却通道101 中心冷却通道
【具体实施方式】
[0040]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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041]以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述。
[0042]如图4-6所示，为本发明实施例提供的一种热沉100，用于固定薄片增益介质200，如图7所示本实施例中的薄片增益介质200为圆片状，其周边为非工作区202，呈圆环状，非工作区域202为固体基质材料(一般为晶体或者玻璃)，其中没有掺杂激活离子(如Nd3+、Yb3+)，所述薄片增益介质200的中间部分为工作区域201，工作区域为固体激光工作物质，是将激活离子掺入基质材料而构成的。工作区域201和非工作区域202通过晶体键合的方式连接在一起，形成薄片增益介质200。所述热沉100包括一基体1，于所述基体I的中心处设有冷却通道10，所述冷却通道10纵向贯通；所述冷却通道10用于导引冷却液冷却所述薄片增益介质200 ;所述基体I的顶部周边处具有固定部11 ;所述固定部11用于吸附所述薄片增益介质200的边缘区域，从而将所述薄片增益介质200固定；所述固定部11包括吸附通道111和与所述吸附通道111连通的导气孔112，所述吸附通道111由所述基体I的顶面纵向向下凹陷而成，所述导气孔112由所述基体I的侧面穿入连通所述吸附通道111。所述吸附通道111通过所述导气孔112与外部的真空设备相连通，通过所述导气孔112将所述吸附通道111内的气体抽出形成真空负压从而将所述薄片增益介质200固定。与现有技术相比，本发明中的热沉100，通过在基体I顶部设置吸附通道111，并通过与所述吸附通道111连通的导气孔112与外部的真空设备相连，从而将所述吸附通道111内的气体抽出产生真空负压吸附固定所述薄片增益介质200，这样，通过大气的压力将所述薄片增益介质200固定，由于大气压力均匀的作用于所述薄片增益介质200上，不同于现有的对薄片增益介质200的固定方式，减少了固定所述薄片增益介质200时产生的残余应力，使用中，所述薄片增益介质200均匀性好，不易变形，可靠性佳。
[0043]具体地，所述基体I为方块状，所述吸附通道111设有多个，具体地，所述吸附通道111为一圆弧槽，所述吸附通道111以所述基体I的中心线为中心环形阵列分布，各所述吸附通道111 一一对应连通有一导气孔112。这样，所述吸附通道111吸附所述薄片增益介质200时，所述薄片增益介质200周向受力均匀，保证了所述薄片增益介质200的平整度。
[0044]当然，也可将所述吸附通道111合围设于所述冷却通道10的周围。也就是将所述吸附通道111做成一个横截面为圆环的槽，可对所述薄片增益介质200的周边一圈都产生吸附力，吸附作用面积大且均匀作用于所述薄片增益介质200周边各处，可避免翘曲，如此，固定牢靠，同时保证了所述薄片增益介质200的平整度。
[0045]本实施例中，如图4所示,所述导气孔112与所述吸附通道111相交设置，优选地，所述导气孔112与所述吸附通道111垂直相交设置。所述导气孔112由所述基体I的侧面穿入连接于所述吸附通道111的底端。如此，方便布置管路用于连接所述导气孔112。
[0046]当然，根据具体的要求也可将所述导气孔112与所述吸附通道111平行设置，也就是所述导气孔112连通所述吸附通道111的底部，由所述基体I的底部穿出。如此，所述导气孔112与所述吸附通道111连通的气路，没有转角，气流运动通畅，气压损耗小，进一步提高了吸附的强度，使得所述薄片增益介质200固定可靠。
[0047]具体地，如图6所示，所述冷却通道10包括沿所述基体I中心线纵向设置的中心冷却通道101和环绕所述基体I中心线阵列布置的周边冷却通道102。所述中心冷却通道101用于冷却所述薄片增益介质200上工作区域201的中心部分，所述周边冷却通道102用于冷却所述薄片增益介质200上工作区域201的周边部分。由图3所示可知，所述薄片增益介质200上工作区域201的周边部分和中间部分的热量分布不同。通过设置所述中心冷却通道101和所述周边冷却通道102，可分别对所述薄片增益介质200进行散热，散热效率高，使得整个薄片增益介质200上中间部分和周边部分的温度趋于相近，也就是中间部分的温度和周边部分经过散热后，两者的温度基本相同。避免产生温度差，亦不会将所述薄片增益介质200扭曲起翘，而影响对激光的增益性能。
[0048]优选地，本实施例中，所述中心冷却通道101为纵向贯穿所述基体I的通孔；所述周边冷却通道102为纵向贯穿所述基体I的通槽；所述通槽的横截面呈扇形。如此，便于一体铸造加工制作，减少了原材料的使用量，简化了制作工艺，且保证了结构强度。
[0049]进一步地，图5所示，于所述基体I上固定所述薄片增益介质200的端部，也就是所述基体I的顶部上，所述周边冷却通道102的出口面与所述薄片增益介质200之间的间距沿所述基体I的中心线径向向外逐渐增大，并大于所述中心冷却通道101的出口面与所述薄片增益介质200之间的间距。也就是，所述中心冷却通道101的出口处的横截面与所述薄片增益介质200之间的间距最小，所述周边冷却通道102的出口处的截面位于同一圆锥面上。由图3所述，为薄片增益介质200的泵浦光能量的分布示意图。所述薄片增益介质200上工作区域201的中间部分热量高于工作区域201的周边部分。这样，将所述中心冷却通道101出口面与薄片增益介质200上工作区域201的中间部分距离最小，如此，冷却效率最高，同理，周边冷却通道102对所述薄片增益介质200上工作区域201的周边部分的冷却效率沿着径向向外递减。也就是，于同一时间段，所述薄片增益介质200上工作区域201的中间部分的冷却的温度差最大，所述薄片增益介质200上工作区域201的周边部分的冷却的温度差，沿其径向外递减。这样，就确保了所述增益介质上工作区域201的中间部分的温度和工作区域201上的周边温度差尽可能的小，就避免了产生了热残余应力，确保了所述薄片增益介质200的可靠性，保证了对激光的增益效果。
[0050]进一步地，所述基体I的另一端设有密封盖2，所述密封盖2上开设有多个供所述冷却液进入所述冷却通道10的进液孔以及于所述进液孔相配的出液孔。所述出液孔包括中心出液孔25和周边出液孔23。所述进液孔包括中心进液孔24和周边进液孔22.。所述中心出液孔25和所述中心进液孔24均与所述中心冷却通道101连通。每一所述进液孔22和一所述周边出液孔23 —一对应连通一周边冷却通道102.。所述进液孔22和所述周边出液孔23均环形均匀分布于所述中心出液孔25的周边，所述进液孔22和所述周边出液孔23相间设置。具体地，所述基体I的四个角落处设置有用于固定所述密封盖2的固定孔12，相应地，于所述密封盖上设有连接孔21。本实施例中，所述固定孔12为螺纹孔，所述连接孔为沉头孔，实际安装时，通过紧固件穿过所述连接孔21锁紧于所述基体I上的螺纹孔内，将所述密封盖2固定于所述基体I上。冷却液通过中心进液孔24和周边进液孔22.分别进入所述中心冷却通道101和周边冷却通道102，在通过中心出液孔25和周边出液孔23流出，形成了多个冷却液的散热通道，分别对所述薄片增益介质200工作区域201各部分进行散热冷却，散热效率高，且通过控制各个散热孔内的冷却液的流速，便可调节所述薄片增益介质200工作区域201各部分的散热温差，使得所述薄片增益介质200工作区域201各部分的温度始终趋于一个相同值，就避免由温差产生的热应力残留，同时将各所述进液孔22设置于同一密封盖2上，一方面，便于加工制作，另一方面确保了密封效果。
[0051]另外，本发明还提供了一种激光器，其包括一薄片增益介质200和热沉100，所述薄片增益介质200固定于所述热沉100上，其中，所述热沉100为上述任一项所述的热沉100。
[0052]由于本发明的一种激光器，采用了上述的热沉100固定所述薄片增益介质200，由于采用了上述的热沉100固定所述薄片增益介质200时，所述薄片增益介质200产生的残余应力小，使得所述薄片增益介质200不易变形，可靠性佳，进而保证了激光经过所述增益介质后的输出功率及光束质量。
[0053]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种热沉，用于固定薄片增益介质，包括一基体，其特征在于，于所述基体的中心处贯设有用于导引冷却液冷却所述薄片增益介质的冷却通道；所述基体上具有用于将所述薄片增益介质吸附固定的固定部；所述固定部包括设于所述基体端部用于吸附所述薄片增益介质的边缘区域的吸附通道和与所述吸附通道连通用于抽出所述吸附通道内的气体形成真空的导气孔。
2.根据权利要求1所述的一种热沉，其特征在于:所述吸附通道设有多个，各所述吸附通道对应连通有一导气孔。
3.根据权利要求2所述的一种热沉，其特征在于:各所述导气孔与所述吸附通道相交设置。
4.根据权利要求3所述的一种热沉，其特征在于:各所述吸附通道沿所述基体的中心线阵列布置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种热沉，其特征在于:所述吸附通道为一圆弧槽。
6.根据权利要求1所述的一种热沉，其特征在于:所述吸附通道合围设于所述冷却通道的周围。
7.根据权利要求1、2、3、4、或6中所述的一种热沉，其特征在于:所述冷却通道包括沿所述基体中心线设置用于冷却所述薄片增益介质中心的中心冷却通道和环绕所述基体中心线阵列布置用于冷却所述薄片增益介质中心周边的周边冷却通道。
8.根据权利要求7所述的一种热沉，其特征在于:所述中心冷却通道为纵向贯穿所述基体的通孔；所述周边冷却通道为纵向贯穿所述基体的通槽；所述通槽的横截面呈扇形。
9.根据权利要求8所述的一种热沉，其特征在于:于所述基体上固定所述薄片增益介质的端部，所述周边冷却通道的出口面与所述薄片增益介质之间的间距沿所述基体的中心线径向向外逐渐增大，并大于所述中心冷却通道的出口面与所述薄片增益介质之间的间距。
10.激光器，包括一薄片增益介质和热沉，所述薄片增益介质固定于所述热沉上，其特征在于，所述热沉为权利要求1-9任一项所述的一种热沉。
【文档编号】H01S3/042GK104426048SQ201310385260
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】赵建涛, 肖磊, 杨锦彬, 叶超平, 李斌, 褚志鹏, 高云峰 申请人:大族激光科技产业集团股份有限公司