用于激光器的热沉结构件及具有其的激光器的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种用于激光器的热沉结构件及具有其的激光器。


背景技术：

2.激光二极管(ld)泵浦的全固态激光器(dpssl)因其具有高效率、长寿命及结构紧凑等优点，已经成为固体激光器发展的主流方向，并在激光加工、激光测距、目标指示、激光雷达等领域得到广泛应用。
3.激光二极管的泵浦方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种。端面泵浦容易实现泵浦光和激光模式的匹配，因而效率高、光束质量好，是小功率激光器件的理想选择。侧面泵浦较之端面泵浦可以靠简单的增加泵浦长度来承载更多的泵浦能量，因此，在要求较大输出功率的激光器中，普遍采用侧面泵浦的方式泵浦固体激光介质。nd:yag是应用最普遍的激光器晶体，它具有极其优秀的光学、导热和机械性能。
4.二极管泵浦yag激光器的输出能量与二极管的工作温度息息相关。激光二极管的光谱宽度一般在3nm左右，这与nd:yag的吸收光谱宽度相当。中心波长为808nm的激光二极管的发射带可与钕吸收带之间存在很好的光谱匹配，产生很高的泵浦效率。
5.相关技术中，由于激光器不同部件的材质差异，在温度变化较大的环境中，激光器不同部件膨胀系数存在差异，导致激光器部件与热沉结构间产生缝隙而影响激光器各部件的散热效果，或者使光学元件受到应力，产生应力双折射，进而影响激光的输出质量。而且，由于激光器小型化、轻量化设计需求，激光器的热沉部件存在结构强度不足的问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是如何提高激光器的各部件的散热效果，减少谐振腔内光学元件受温度变化影响光学特性的概率，及提高激光器的热沉结构强度，本发明提出一种用于激光器的热沉结构件及具有其的激光器。
7.根据本发明实施例的用于激光器的热沉结构件，所述热沉结构件设置有用于安装激光器晶体的第一安装位，用于安装偏振元件的第二安装位和用于安装光学元件的第三安装位；其中，靠近所述第一安装位的两个固定臂至少部分连接形成拱桥状加强结构。
8.根据本发明的一些实施例，所述热沉结构件包括：
9.基板，所述基板的背面与半导体制冷器连接，所述基板的正面设置有所述第一安装位、所述第二安装位和所述第三安装位，两个所述固定臂部分错开设置于所述基板的正面，两个所述固定臂朝向彼此的部位处连接形成拱桥状加强结构。
10.在本发明的一些实施例中，所述固定臂包括多段弯折的臂段，沿远离所述基板的方向，所述固定臂各所述臂段的厚度逐渐减小。
11.根据本发明的一些实施例，所述固定臂的内表面包括多个用于焊接激光二极管阵列的配合面。
12.在本发明的一些实施例中，所述基板的设置所述第一安装位处部分凹陷形成凹槽。
13.根据本发明的一些实施例，所述第三安装位安装的所述光学元件包括楔形镜调节谐振腔或晶体调节激光谐振腔。
14.在本发明的一些实施例中，所述固定臂上设置有温度采样孔。
15.根据本发明的一些实施例，所述激光器晶体、所述偏振元件及所述光学元件粘接固定于所述热沉结构件，或通过固定件固定于所述热沉结构件。
16.根据本发明实施例的激光器，包括：
17.半导体制冷器；
18.热沉结构件，所述热沉结构件为如权利要求1-8中任一项所述的用于激光器的热沉结构件，所述热沉结构件固定于所述半导体制冷器；
19.激光器晶体，安装于所述热沉结构件的所述第一安装位；
20.偏振元件，安装于所述热沉结构件的所述第二安装位；
21.光学元件，安装于所述热沉结构件的所述第三安装位。
22.根据本发明的一些实施例，所述激光器晶体的工作介质包括两个nd:yag晶体。
23.本发明提出的用于激光器的热沉结构件及具有其的激光器，实现了激光二极管、激光器晶体、光学元件的整体温控技术，使激光工作介质在极限温度环境下工作时保持在一个相对恒定的温度，同时尽量缩短工作介质长度，减小了激光器晶体受到的机械应力。
24.此热沉结构件在旋转对称的泵浦面上方在机械上进行连接加强结构设计，此方式能够大幅度提高二极管热沉结构件的结构强度，在二极管热沉结构件、tec、散热器之间相互连接固定时，二极管激光器热沉结构件能够保持稳定的状态，不易产生形变，热沉结构件与tec之间接触良好且高效传热。此固定方式允许激光器热沉结构件尽量轻薄的设计，有利于整机的轻小型化。
25.此热沉结构件除了能够安装激光器晶体之外，还可以安装偏振片等其他易受温度影响的光学元件，使光学元件始终与激光二极管温度保持一致，避免了因环境温度剧烈变化引起光学元件的特性改变，影响激光能量输出的问题。
附图说明
26.图1为根据本发明实施例的用于激光器的热沉结构件的结构示意图。
27.附图说明：
28.热沉结构件100，
29.基板10，第一安装位101，第二安装位102，第三安装位103，凹槽105，
30.固定臂20，配合面s1，加强结构210，温度采样孔30。
具体实施方式
31.为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
32.相关技术中，对于多数机载、车载或者手持等类型的高峰值功率脉冲激光器而言，选用半导体制冷器(tec)对激光二极管进行温度控制。典型的激光二极管泵浦源主要由激
光二极管、半导体制冷器(tec)、散热器、轴流风扇组成，半导体制冷器将激光二极管的温度控制在恒定的温度值，tec产生的多余热量通过散热器及轴流风扇传递到外界环境之中。
33.对于多数机载、车载或者手持等类型的高峰值功率脉冲激光器而言，要求激光器有较强的环境适应能力，能够在-50℃～+65℃环境温度下正常工作。对于常规无水冷激光器而言，激光工作介质yag晶体直接粘接在热沉上，激光工作时产生的热量通过传导方式进行散热，晶体无温控措施。由于整机要求工作在-50℃～+65℃环境下，激光工作介质的温度变化会大于100℃，由于晶体采用粘接方式固定且长度较长，不同膨胀系数的两种材料粘合会在大范围温度变化下会产生较大的切向应力，影响激光在谐振腔内振荡，导致激光能量稳定性下降。
34.对于多数机载、车载或者手持等类型的高峰值功率脉冲激光器而言，要求激光器小型化和轻量化。通常情况下，激光器由金属壳体作为激光谐振腔的承载结构，光学元件通过金属元件座固定到金属壳体上形成激光谐振腔。
35.对于多数电光调q激光器而言，选用偏振片作为起偏元件。在不同的环境温度下，偏振片所镀的偏振膜对水平和竖直偏振光的透过率会产生变化，导致在低温环境下消光比相比正常的偏振片在常温环境下消光比变差。
36.申请人发现，上述类型的二极管泵浦固体激光器在实际应用中，由于激光器小型化和轻量化的要求，在设计上通常会采用降低二极管激光器热沉厚度的方法进行减重。此方法会降低热沉结构的强度，当二极管激光器热沉下部放入半导体制冷器后固定到散热器上时，由于二极管热沉强度减弱且二极管热沉的固定孔位需要跨过tec的两侧固定，因跨度较大导致二极管热沉产生形变，二极管热沉与tec之间产生缝隙导致tec温控效果严重减弱。二极管热沉的形变同时导致在热沉上固定的激光器晶体产生微小位移，影响激光振荡和光束质量。
37.如果减小或消除二极管热沉安装引起的机械形变，同时应用良好的泵浦结构且消除温度变化引起的不良影响，则可以解决在激光器小型化轻量化要求下激光器低温环境下激光输出动态能量下降的问题。为此，本发明提出一种用于激光器的热沉结构件及具有其的激光器。
38.如图1所示，根据本发明实施例的用于激光器的热沉结构件100，热沉结构件100设置有用于安装激光器晶体的第一安装位101，用于安装偏振元件的第二安装位102和用于安装光学元件的第三安装位103；其中，靠近第一安装位101的两个固定臂20至少部分连接形成拱桥状加强结构210。
39.根据本发明实施例的用于激光器的热沉结构件100，通过在热沉结构件100上设置第一安装位101、第二安装位102和第三安装位103，将激光器晶体、偏振元件和其他光学元件集成安装固定于热沉结构件100上，实现激光二极管、激光器晶体、偏振元件和其他光学元件在高低温环境下同时受到温度控制，避免了激光器晶体等光学元件在高低温环境下受温度影响产生应力，进而影响输出激光的光束质量。此热沉结构件100设计紧凑，达到激光二极管热沉结构件100小型化、多功能化的效果。
40.而且，通过形成拱桥状加强结构210强化了热沉结构件100的结构强度，保证了集成光学元件的安装稳定性，解决了现有的二极管泵浦固体激光器的热沉结构件100在螺钉安装固定过程中引起机械形变，导致与半导体制冷器产生缝隙影响散热效果进而影响输出
能量的问题。
41.如图1所示，根据本发明的一些实施例，热沉结构件100包括：基板10，基板10的背面与半导体制冷器连接，基板10的正面设置有第一安装位101、第二安装位102和第三安装位103，两个固定臂20部分错开设置于基板10的正面，两个固定臂20朝向彼此的部位处连接形成拱桥状加强结构210。该加强结构210设计，既可以保证热沉结构件100的结构强度，而且，可以减轻热沉结构件100的重量，实现热沉结构件100的轻量化、小型化设计。
42.在本发明的一些实施例中，如图1所示，固定臂20包括多段弯折的臂段，沿远离基板10的方向，固定臂20各臂段的厚度逐渐减小。由此，可以在减轻固定臂20重量的基础上保证固定臂20的结构强度。
43.根据本发明的一些实施例，如图1所示，固定臂20的内表面包括多个用于焊接激光二极管阵列(ld)的配合面s1。由此，可以通过多个配合面s1形成旋转对称的泵浦结构。从而可以提高激光晶体内部荧光分布的均匀性。
44.在本发明的一些实施例中，如图1所示，基板10的设置第一安装位101处部分凹陷形成凹槽105。由此，可以为激光二极管阵列留出足够的安装空间
45.根据本发明的一些实施例，第三安装位103安装的光学元件包括楔形镜调节谐振腔或晶体调节激光谐振腔。需要说明的是，可以根据需要在第三安装位103放置楔形镜调节谐振腔或者放入高折射率晶体调节激光谐振腔的激光光程使用。
46.在本发明的一些实施例中，固定臂20上设置有温度采样孔30。由此，可以通过温度采样孔30采集激光器晶体及热沉结构件100的温度，便于进行温度的调节控制。
47.根据本发明的一些实施例，激光器晶体、偏振元件及光学元件粘接固定于热沉结构件100，由此，可以提高激光器晶体、偏振元件及光学元件的固定效率。或者，激光器晶体、偏振元件及光学元件也可以通过固定件(如螺钉)固定于热沉结构件100上。由此，可以提高激光器晶体、偏振元件及光学元件固定的牢固性和稳定性。
48.根据本发明实施例的激光器，包括：半导体制冷器、热沉结构件100、激光器晶体、偏振元件及光学元件。
49.其中，热沉结构件100为如上所述的用于激光器的热沉结构件100，热沉结构件100固定于半导体制冷器。激光器晶体安装于热沉结构件100的第一安装位101，偏振元件安装于热沉结构件100的第二安装位102，光学元件安装于热沉结构件100的第三安装位103。
50.根据本发明实施例的激光器，通过在热沉结构件100上集成激光器晶体、偏振元件和其他光学元件的安装位，实现激光二极管、激光晶体激光器晶体、偏振元件和其他光学元件在高低温环境下同时受到温度控制，使光学元件始终与激光二极管热沉结构件100温度保持恒定，避免了激光晶体激光器晶体等光学元件在高低温环境下受温度影响产生应力，进而影响输出激光的光束质量。
51.热沉结构件100在旋转对称的泵浦面上方在机械上进行连接设计，增加了热沉结构件100的结构强度，保证了集成光学元件的安装稳定性，解决了现有的二极管泵浦固体激光器的热沉在螺钉安装固定过程中引起机械形变，导致与半导体制冷器产生缝隙影响散热效果进而影响输出能量的问题。
52.根据本发明的一些实施例，激光器晶体的工作介质包括两个nd:yag晶体。需要说明的是，本发明中的激光工作介质并不仅限于nd:yag晶体，也可以根据需要选用nd:yvo4等
多种材料。激光工作介质采用“短棒”方式，缩短了两种不同材料粘合的长度，减小了激光工作物质与相邻热沉之间的粘合应力，提高了激光器在极限温度下工作的能量稳定性。
53.综上所述，本发明提出的用于激光器的热沉结构件100及具有其的激光器，实现了激光二极管、激光器晶体、光学元件的整体温控技术，使激光工作介质在极限温度环境下工作时保持在一个相对恒定的温度，同时尽量缩短工作介质长度，减小了激光器晶体受到的机械应力。
54.此热沉结构件100在旋转对称的泵浦面上方在机械上进行连接加强结构210设计，此方式能够大幅度提高二极管热沉结构件100的结构强度，在二极管热沉结构件100、tec、散热器之间相互连接固定时，二极管激光器热沉结构件100能够保持稳定的状态，不易产生形变，热沉结构件100与tec之间接触良好且高效传热。此固定方式允许激光器热沉结构件100尽量轻薄的设计，有利于整机的轻小型化。
55.此热沉结构件100除了能够安装激光器晶体之外，还可以安装偏振片等其他易受温度影响的光学元件，使光学元件始终与激光二极管温度保持一致，避免了因环境温度剧烈变化引起光学元件的特性改变，影响激光能量输出的问题。
56.此热沉结构件100也可以应用其他形式侧面泵浦结构。激光二极管固定尺寸可以根据实际使用要求情况进行适当调节，以满足实际应用需要。
57.通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。