一种激光晶体封装及冷却结构转让专利
申请号 : CN201910664484.2
文献号 : CN110459938B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 吕坤鹏 , 杨雪 , 王超 , 梁兴波 , 刘磊 , 唐晓军 , 陈露
申请人 : 中国电子科技集团公司第十一研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,包括:依次连接的第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔以及封装于第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、以及第二晶体端头隔离腔中的晶体‑金刚石复合冷却结构;
所述晶体‑金刚石复合冷却结构包括一个激光晶体和四个金刚石热沉,其中,所述激光晶体的中间段为晶体掺杂区,激光晶体的两端为晶体非掺杂区,两端的晶体非掺杂区伸出所述液氮冷却腔,分别被第一晶体端头隔离腔和第二晶体端头隔离腔封装;所述四个金刚石热沉分别焊接在所述晶体端头附近键合线区域的两个冷却侧面;所述晶体‑金刚石复合冷却结构为以所述激光晶体的厚度方向的中心面为对称面的上下对称结构,将所述液氮冷却腔分割为两个相互连通并对称的空腔;所述第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔为以激光晶体长度和厚度方向的中心面为对称面的左右、上下对称结构;
所述第一晶体端头隔离腔和所述第二晶体端头隔离腔的上盖布置有抽真空孔;
所述液氮冷却腔的两个正对晶体冷却面的腔壁上分别镶嵌有三个微型液氮喷淋器,其中四个正对金刚石热沉的中心区域,另外两个正对晶体长度方向的中间区域;所述液氮冷却腔的上盖中间位置设置有电磁自动泄压阀和抽真空孔。
2.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,所述第一晶体端头隔离腔和所述第二晶体端头隔离腔的材料为不吸收泵浦光的石英玻璃。
3.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,所述液氮冷却腔的材料2
为导热系数小于0.035W/(mK)的真空隔热板。
4.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,所述液氮冷却腔的左右两个侧面上开有封装晶体的长条形窄缝,窄缝高度与晶体的宽度相等,窄缝宽度与晶体的厚度相等,窄缝底端距离液氮冷却腔底部的高度为5mm‑10mm。
5.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,所述激光晶体的几何构型为板条状,由未掺杂稀土元素的钇铝石榴石和掺杂稀土元素的钇铝石榴石键合而成。
6.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,所述金刚石热沉的宽度大于晶体的宽度,两者之差为2‑3mm,金刚石热沉长度等于泵浦光进入晶体掺杂区域后衰减为初始强度的40%时的传输距离。
7.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,所述晶体‑金刚石复合冷却结构在真空焊接炉以低应力焊接的方式实现激光晶体、金刚石热沉之间的牢固连接。
8.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,金刚石热沉与激光晶体侧面的焊接面覆盖了晶体端头的键合线,键合线与离键合线最近的焊接面边缘之间的距离为5mm。
9.如权利要求1所述的激光晶体封装及冷却结构,其特征在于,所述金刚石热沉的另一个非焊接大侧面上刻蚀有高纵横比的微槽状流道结构或者柱状凸起结构。
说明书 :
一种激光晶体封装及冷却结构
技术领域
背景技术
动了激光产业的快速发展。随着激光器功率水平不断提高和装置尺寸日益小型化,热效应
已成为制约激光器输出功率与性能进一步提高的严重障碍,因此也受到了光学、材料学、结
构力学、热力学等多学科科研工作者的重点关注。
存在着冷却工质流量需求大、系统复杂、功耗高等无法避免的应用缺陷,严重制约着固体激
光器的小型化和高效化。
发明内容
高效化问题。
构。
伸出所述液氮冷却腔,分别被第一晶体端头隔离腔和第二晶体端头隔离腔封装;所述四个
金刚石热沉分别焊接在所述晶体的两个冷却侧面;所述晶体‑金刚石复合冷却结构为以所
述激光晶体的厚度方向的中心面为对称面的上下对称结构,将所述液氮冷却腔分割为两个
相互连通并对称的空腔;所述第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔为以
激光晶体长度和厚度方向的中心面为对称面的左右、上下对称结构。
为5mm‑10mm;
导热系数;二、液氮在进入液氮腔后直接喷射在晶体中间区域的表面以及两端焊接的金刚
石热沉表面,速度较大的液氮液滴可迅速将表面发生气化的氮气排挤开,从而减薄流动及
换热边界层,在提高换热效率的同时可有效减少液氮的流量,部分未气化的液氮则由于重
力作用沉积在液氮冷却腔的底部区域,从而维持整个液氮腔中的低温环境;三、晶体端头处
于由石英玻璃组成的隔离腔中,避免了端头区域泵浦光受气流扰动的影响;四、本发明中,
经特殊设计的金刚石热沉的尺寸与晶体发热量集中区域的分布长度基本完全匹配,既可满
足冷却的需求又可大大减小金刚石热沉与晶体的焊接面积,可消除传统方式中将晶体整个
侧面完全与热沉焊接而带来的大面积焊接中常见的焊接孔隙率高、焊接质量低等问题;四、
金刚石热沉的导热系数极高,可实现晶体表面高温区域向低温区域的快速均温,同时金刚
石热沉的热膨胀系数与晶体的热膨胀系数基本匹配,也可大大减小晶体与金刚石热沉之间
的焊接应力。
更明显易懂,以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
具体实施方式
热管理方式。
所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围
完整的传达给本领域的技术人员。
光晶体封装及冷却结构的示意图,如图1所示,本发明实施例的激光晶体封装及冷却结构,
具体包括:依次连接的第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔以及封装于
第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、以及第二晶体端头隔离腔中的晶体‑金刚石复合冷却结
构,
伸出所述液氮冷却腔,分别被第一晶体端头隔离腔和第二晶体端头隔离腔封装;所述四个
金刚石热沉分别焊接在所述晶体的两个冷却侧面;所述晶体‑金刚石复合冷却结构为以所
述晶体的厚度方向的中心面为对称面的上下对称结构,将所述液氮冷却腔分割为两个相互
连通并对称的空腔;所述第一晶体端头隔离腔、液氮冷却腔、第二晶体端头隔离腔为以晶体
长度和厚度方向的中心面为对称面的左右、上下对称结构。
的厚度相等,窄缝底端距离液氮冷却腔底部的高度为5mm‑10mm。与晶体冷却面相对的液氮
冷却腔的两个腔壁上分别镶嵌有三个微型液氮喷淋器,其中四个正对金刚石热沉的中心区
域,另外两个正对晶体的中间区域。液氮冷却腔的上盖中间位置设置有电磁自动泄压阀和
抽真空孔;
SiO2膜和Ti、Pt、Au膜,金刚石热沉与晶体的焊接面在焊接前蒸镀有Cr、Ti、Au膜。晶体的几
何构型为板条状,由未掺杂稀土元素的钇铝石榴石和掺杂稀土元素的钇铝石榴石键合而
成。晶体沿长度方向的中间部分为掺杂稀土元素的钇铝石榴石,两个端头为未掺杂稀土元
素的钇铝石榴石;金刚石热沉与激光晶体侧面的焊接面覆盖了晶体端头的键合线,键合线
与离键合线最近的焊接面边缘之间的距离为5mm。所述金刚石热沉的宽度大于晶体的宽度,
两者之差大约2‑3mm,长度等于泵浦光进入晶体键合区域后衰减为初始强度的30%—40%
时的传输距离。金刚石热沉的另一个非焊接侧面上刻蚀有高纵横比的微槽状流道结构或者
柱状凸起结构。
面上刻蚀出高纵横比的微槽状流道结构,微槽状流道结构的宽度为200‑300μm,高度为1‑
2mm,或者加工出当量直径为0.5‑1mm,高度为1‑2mm的柱状凸起结构,在金刚石的另外一个
面上蒸镀Cr、Ti、Au后在真空焊接炉中将金刚石热沉与激光晶体按照图示的焊接位置焊接
在一起,保证金刚石热沉与激光晶体侧面的焊接面覆盖晶体端头的键合线,键合线与离键
合线最近的焊接面边缘之间的距离为5mm。
罩在晶体的端头上,隔离腔与液氮腔的左右两侧的侧壁完全接触,从而实现隔离腔的密封。
利用抽真空装置进行将液氮冷却腔和端头隔离腔抽真空,完成激光晶体复合冷却结构的封
装。
液滴状并直接喷淋在金刚石热沉和晶体表面,液氮吸收晶体的热量后发生气化,当液氮冷
却腔内的压力升高到设定值时,位于液氮冷却上上侧的电磁泄压阀自动开启,从而维持液
氮冷却腔内的恒定压力,保证整个冷却系统的稳定运行。本发明中,液氮冷却腔可维持在
100K以下的低温环境,在该低温环境下激光晶体的导热系数可增大至常温的4‑5倍,从而提
升了热传递途径中热阻最大环节的导热能力,可大大降低晶体的温度。
的网络上,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储
在存储装置中由计算装置来执行,并且在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示
出或描述的步骤,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或
步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。