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激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法

閱讀：991發(fā)布：2023-01-26

專利匯可以提供激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 涉及激光 二極管 泵 浦固體 激光器 ，特別是 激光二極管 泵浦固體激光器中晶體與熱沉模 塊 化方法，其特征是：晶體與晶體熱沉通過高溫 焊接 成為一個(gè)整體；所述的晶體熱沉包括晶體熱沉上組件和晶體熱沉下組件；將晶體和晶體熱沉上組件、晶體熱沉下組件裝配到一起，然后用兩塊大的平行無 氧 銅 板將其緊緊的壓到一起，一同置于 真空 爐中，加溫至 銀 層融化，將晶體與晶體熱沉上組件和晶體熱沉下組件緊緊地焊接在一起，構(gòu)成一個(gè)整體，將焊接后的晶體與晶體熱沉整體 鍍 膜 ，得到可以直接使用的一體化元件。它既提高了晶體 側(cè)壁 的熱傳導(dǎo)效率，減弱了熱效應(yīng)的影響，又提高了系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性能 力 ，便于產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。，下面是激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法專利的具體信息內(nèi)容。

1.激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法，其特征是：晶體(1)與晶體熱沉通過高溫焊接成為一個(gè)整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法，其特征是：所述的晶體(1)為端面非鍍膜晶體，側(cè)面燒結(jié)金粉層(5)；所述的晶體熱沉包括晶體熱沉上組件(3)和晶體熱沉下組件(4)，在晶體熱沉上組件(3)和晶體熱沉下組件(4)與晶體(1)的連接面電鍍銀層(6)；將晶體(1)和晶體熱沉上組件(3)、晶體熱沉下組件(4)裝配到一起，然后用兩塊大的平行無氧銅板將其緊緊的壓到一起，一同置于真空爐中，加溫至銀層(6)融化，將晶體(1)與晶體熱沉上組件(3)和晶體熱沉下組件(4)緊緊地焊接在一起，構(gòu)成一個(gè)整體，將焊接后的晶體與晶體熱沉整體鍍膜，得到可以直接使用的一體化元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法法，其特征是：所述的真空爐中加溫至960℃，保持30分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法，其特征是：所述的晶體熱沉上組件(3)和晶體熱沉下組件(4)選用無氧銅材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法，其特征是：所述的銀層(6)的厚度為10-20微米，或厚度為15微米；所述的金粉層(5)的厚度為
5-10微米，或厚度為5微米。

說明書全文

激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明涉及激光二極管泵浦固體激光器，特別是激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法。技術(shù)背景
[0002] 在激光二極管泵浦固體激光器的設(shè)計(jì)過程中，由于晶體熱效應(yīng)的存在，對激光器的穩(wěn)定性、光束質(zhì)量等產(chǎn)生重要影響，控制或減弱晶體熱效應(yīng)是獲得高性能二極管泵浦固體激光器所必須解決的問題之一。
[0003] 激光晶體在工作過程中會產(chǎn)生大量廢熱，由于散熱不利所引發(fā)的廢熱積累是引起熱透鏡效應(yīng)迅速增強(qiáng)的根本原因。因此，設(shè)計(jì)合理、高效的散熱通道是降低廢熱積累，進(jìn)而控制熱效應(yīng)的有效手段。通常，激光二極管泵浦固體激光器中所用晶體的尺寸較小(較常見的如Φ3mm×10mm、3mm×3mm×10mm等)，而泵浦功率通常為幾瓦至上百瓦，其中約30％轉(zhuǎn)換為廢熱，因此，晶體內(nèi)的廢熱具有熱量大、分布集中的特點(diǎn)。對于這種極高的熱密度，人們通常采用晶體側(cè)壁冷卻的方式進(jìn)行散熱。例如，對于端面泵浦的圓棒晶體，通常先在晶體棒側(cè)壁均勻包裹一層銦皮，再用金屬熱沉夾持緊固，最后用半導(dǎo)體制冷器(TEC)冷端緊貼金屬熱沉外側(cè)，晶體所產(chǎn)生的廢熱由晶體側(cè)壁經(jīng)過銦皮層傳導(dǎo)至金屬熱沉，再由半導(dǎo)體制冷器(TEC)將熱量抽出。圖1給出了傳統(tǒng)熱沉結(jié)構(gòu)，它主要通過晶體棒的圓周面包裹的銦皮2和銦皮2外側(cè)面緊固的晶體熱沉上組件3、晶體熱沉下組件4將熱量傳導(dǎo)到半導(dǎo)體制冷器(TEC)，由半導(dǎo)體制冷器(TEC)傳向冷源，其中，銦皮2的作用就是實(shí)現(xiàn)晶體熱沉上組件3、晶體熱沉下組件4與晶體1的“軟接觸”。可見，受晶體尺寸所限，有效散熱面積僅為晶體側(cè)面積，且銦皮的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于金屬熱沉，相當(dāng)于在晶體與熱沉之間增加了一層熱阻，因此，晶體的有效散熱十分困難。例如，對于Φ3mm×10mm的Nd:YAG晶體，散熱面積僅為2
0.942cm，無氧銅熱沉熱導(dǎo)率為401W/(m·k)，包裹銦皮的熱導(dǎo)率為81.6W/(m·k)。

發(fā)明內(nèi)容

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法，以便有效的提高晶體散熱效果，減弱晶體熱效應(yīng)對二極管泵浦固體激光器性能的不利影響，提高二極管泵浦固體激光器的可靠性和壽命。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，激光二極管泵浦固體激光器中晶體與熱沉模塊化方法，其特征是：晶體與晶體熱沉通過高溫焊接成為一個(gè)整體。
[0006] 所述的晶體為端面非鍍膜晶體，側(cè)面燒結(jié)金粉層；所述的晶體熱沉包括晶體熱沉上組件和晶體熱沉下組件，在晶體熱沉上組件和晶體熱沉下組件與晶體的連接面電鍍銀層；將晶體和晶體熱沉上組件、晶體熱沉下組件裝配到一起，然后用兩塊大的平行無氧銅板將其緊緊的壓到一起，一同置于真空爐中，加溫至銀層融化，將晶體與晶體熱沉上組件和晶體熱沉下組件緊緊地焊接在一起，構(gòu)成一個(gè)整體，將焊接后的晶體與晶體熱沉整體鍍膜，得到可以直接使用的一體化元件。
[0007] 所述的真空爐中加溫至960℃，保持30分鐘。
[0008] 所述的晶體熱沉上組件和晶體熱沉下組件選用無氧銅材料。
[0009] 所述的銀層的厚度為10-20微米，或厚度為15微米；所述的金粉層的厚度為5-10微米，或厚度為5微米。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：晶體與晶體熱沉通過高溫焊接成為一個(gè)整體其特點(diǎn)一，由于二極管端面泵浦固體激光器的熱耗高度集中，通過高溫焊接，使得晶體與晶體熱沉之間的熱阻得到了大幅度降低，從而提高了晶體側(cè)壁的熱傳導(dǎo)效率，減弱了熱效應(yīng)的影響；特點(diǎn)二，可以將晶體與晶體熱沉作為一個(gè)整體部件進(jìn)行裝配，降低了晶體的裝配難度，提高了系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性能力，便于產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。附圖說明
[0011] 下面結(jié)合實(shí)施例附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0012] 圖1為傳統(tǒng)晶體熱沉夾持結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例結(jié)果示意圖。
[0015] 圖中：1、晶體；2、銦皮；3、晶體熱沉上組件；4、晶體熱沉下組件；5、金粉層；6、銀層。

具體實(shí)施方式

[0016] 圖2所示的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，晶體1為端面非鍍膜晶體(因晶體鍍膜在燒結(jié)過程中會影響鍍膜效果，或?qū)㈠兡龤?，所以晶體1為端面非鍍膜晶體最后將焊接后的晶體與晶體熱沉整體鍍膜，得到可以直接使用的一體化元件。)側(cè)面燒結(jié)厚度約為5微米的金粉層5；晶體熱沉上組件3和晶體熱沉下組件4選用無氧銅材料加工而成，并且在晶體熱沉上組件3和晶體熱沉下組件4與晶體1的連接面電鍍一層厚度約15微米的銀層6，銀層6主要用作焊料；將燒金后的晶體1和晶體熱沉上組件3、晶體熱沉下組件4裝配到一起，然后用兩塊大的平行無氧銅板將其緊緊的壓到一起，一同置于真空爐中，加溫至銀層6融化，將晶體1與晶體熱沉上組件3和晶體熱沉下組件4緊緊地焊接在一起，構(gòu)成一個(gè)整體，如圖3所示；將焊接后的晶體與晶體熱沉整體鍍膜，得到可以直接使用的一體化元件。
[0017] 真空爐中，加溫至銀層6融化溫度在960℃，保持30分鐘既可。銀層6厚度可在10-20微米選取，厚度太小達(dá)不到焊接和熱傳導(dǎo)效果，厚度太大，會造成銀的浪費(fèi)，不會產(chǎn)生明顯的有益效果。因此選擇在最佳厚度在15微米或10-20微米，同樣金粉層5選擇厚度在
5-10微米之間，最佳厚度5微米，與上述銀層厚度有相同原因。由于使用銀為焊接層代替銦皮2，銀的熱導(dǎo)率為492W/(m·k)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銦的熱導(dǎo)率81.6W/(m·k)，并且，通過焊接，填充了晶體1與晶體熱沉上組件3和晶體熱沉下組件4之間的空氣間隙，從而極大的降低了熱阻，獲得了優(yōu)良的導(dǎo)熱效果。
[0018] 晶體1內(nèi)由于泵浦產(chǎn)生的熱量由晶體側(cè)壁通過焊接銀層6傳導(dǎo)至晶體熱沉上組件3和晶體熱沉下組件4，使用時(shí)，可以在晶體熱沉上組件3和晶體熱沉下組件4的外側(cè)連接半導(dǎo)體制冷器(TEC)的冷端，促進(jìn)熱量向外界環(huán)境的傳導(dǎo)。
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