专利名称：激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，涉及一种用于激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持方法，特别是激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持方法。
背景技术：
在二极管端面泵浦固体激光器中，激光晶体通常是由热界面物质(比如铟箔)包裹后由金属散热热沉夹持，热界面物质的厚度一般在几十到几百微米之间。由于金属热沉的热导率远大于晶体的热导率，通过循环水流或TEC散热的方法，可以使热沉整体为恒定温度(例如20°C)。实际中，绝对光滑的表面是不存在的，晶体的表面和热沉的表面都具有一定粗糙度，使得晶体棒与热沉间存在一定的接触热阻(
R =^ Cl、k, 1分别为界面间传热温差、传热量、传热距离、热导率和传热
AQ kA
面积)。对于圆棒状激光晶体，一般采用两块带有半圆型凹槽的金属热沉夹持散热。此时，装配压力方向垂直于两块热沉的结合面，晶体棒侧面在与热沉凹槽底部接触处受到的径向装配压强最大，在两块热沉结合面方向处受到的径向装配压强为零。实际中，热界面物质的厚度远大于晶体棒与热沉接触表面的粗糙度，晶体和热沉无直接接触点。
由于晶体棒与热沉间接触热导< (K=H)起作用的力为晶体侧面受到的装配压力
Λ4 d
的径向分量，晶体棒侧面径向装配压强大的地方，热界面物质取代了较多的空气间隙，提高了此处晶体棒与热沉间的接触热导；径向装配压强较小地方，空气间隙即存在于热沉与热界面物质间，又存在于晶体棒与热界面物质间，此处晶体棒与热沉间的接触热导很小。采用两块热沉夹持圆棒状激光晶体时，由于接触热导在晶体棒与热沉间分布不均勻，热耗在不同的周向角处按不同的热流量传递，导致晶体中的温度场分布非轴对称，从而使热透镜效应、热应力双折射效应和端面形变效应等热效应非轴对称性，影响了输出光质量，甚至致使晶体棒因受热不均而炸裂。两块热沉夹持晶体时，晶体棒周围接触热阻相对较大，从而增加了晶体棒的整体温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持方法和装置，消除传统两块热沉加持晶体的缺陷，并提供加持圆形激光晶体和四棱形激光晶体的夹持装置。本发明的技术方案是激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持方法，包括激光晶体棒的包裹铟箔、金属热沉、金属框架和金属框架上面的顶丝，每块金属热沉上有循环水流通道，其特征是金属热沉的数量不小于三块，并对称加持激光器晶体，每块金属热沉的夹持面契合激光器晶体的接触面；金属框架是多边形，并根据金属热沉的数量决定多边形边数，每块金属热沉通过顶丝与金属框架每条边固定连接，通过使用顶丝夹紧激光器晶体。所述的金属框架包括金属凸台。圆形激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持装置，它至少包括圆形激光晶体、激光晶体棒的包裹铟箔、金属热沉、金属框架和金属框架上面的顶丝，每块金属热沉上有循环水流通道，金属框架内有金属凸台，其特征是金属热沉的数量不小于三块，并对称夹持圆形激光器晶体，每块金属热沉夹持面为圆弧面，并契合圆形激光器晶体的接触面； 金属框架是多边形，并根据金属热沉的数量决定多边形边数，每块金属热沉通过顶丝与金属框架每条边固定连接。四棱形激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持装置，它至少包括四棱形激光晶体、激光晶体棒的包裹铟箔、金属热沉、金属框架和金属框架上面的顶丝，每块金属热沉上有循环水流通道，金属框架内有金属凸台，其特征是金属热沉的数量是四块，并对称夹持圆形激光器晶体，每块金属热沉夹持面为平面，并契合四棱形激光器晶体的接触面； 金属框架是多边形，并根据金属热沉的数量决定多边形边数，每块金属热沉通过顶丝与金属框架每条边固定连接。本发明的特点是采用三块以上热沉夹持圆形激光器晶体时，每个单块热沉只与晶体侧面三分之一下的圆弧面相接触；采用四块热沉夹持四棱形激光器晶体时，每个单块热沉只与晶体一个面接触，在金属框架上顶丝的作用力下，各块热沉对称分布组合夹持圆棒状激光晶体。各块热沉独自受力，不存在晶体侧面径向受力为零的点，晶体侧面径向压强整体变均勻，提高了晶体与热沉的紧密结合程度，晶体与热沉间的接触热导在圆周方向不存在零值，其分布变得均勻，接触热阻的整体数值减小。激光器晶体温度沿表面均勻变化，温度最大值变小，对于晶体热效应的轴对称性，及防止晶体端面局部温度过高而炸裂有所帮助。金属框架设计有金属凸台，可以防止夹紧过程中激光器晶体的轴向转动。
下面将结合实施例对本发明作进一步的说明 图1是三块热沉、圆形激光器晶体的夹持装置；
图2是四块热沉、圆形激光器晶体的夹持装置； 图3是四块热沉、四棱形激光器晶体的夹持装置。图中1、激光器晶体；2、激光晶体棒的包裹铟箔；3、金属热沉；4、金属框架；5、金属凸台；6、循环水流通道；7、顶丝。
具体实施例方式实施例1
如图1所示，对于圆形激光器晶体1采用三块金属热沉3的夹持方法，金属框架4为三角形，金属框架4上有金属凸台5，金属凸台5与金属框架4是一体结构，可以防止在夹紧过程中出现的激光器晶体1轴向转动。以圆形激光器晶体1的直径为4毫米，长度为10毫米为例，将一整块热沉端面各顶点与其所在面的中心点相连，在热沉中心打直径为晶体棒1直径4毫米的孔，采用线切割方法沿连线切割热沉为相应块数的单块金属热沉3。
金属框架4每边宽度和每块金属热沉3的宽度是20毫米，每边的中心处有顶丝7， 每块金属热沉3通过顶丝7与金属框架4固定连接。金属热沉3的夹持面为圆弧面，并在金属热沉3的中心处设有循环水流通道6。使用时，在圆形激光器晶体1外包裹厚度为50微米左右的铟箔2，并置于夹持装置内部，通过拧紧顶丝7，使每块金属热沉3贴紧圆形激光器晶体1，实现夹紧。采用三块金属热沉3的夹持方法相对于传统的两块热沉夹持方法受力更均勻，并且不会出现晶体侧面径向受力的零点；温度变化也相对较小，防止晶体端面局部温度过高而引起的炸裂。与通常采用两块热沉夹持圆形激光晶体1散热的的方法相比，晶体棒内部得到数值较低，分布较均勻温度分布。实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同的是采用四块金属热沉3的夹持方法，金属框架4为正方形。四块金属热沉受力更均勻，热传导性更良好。实施例3
如图3所示，由于激光器晶体1是四棱形结构，所以采用四块热沉的夹持方法，金属框架4为正方形。金属框架4上有金属凸台5，金属凸台5与金属框架4是一体结构，可以防止在夹紧过程中出现的激光器晶体1轴向转动。以长宽均为20毫米，厚度为10毫米的四棱形激光器晶体1为例，将整块热沉块端面各顶点与其所在面的中心点相连，采用线切割方法沿连线切割热沉为四块三棱柱，切掉各三棱柱一棱角，得到一个平行于原四棱柱各侧面且尺寸为晶体棒1侧面尺寸的平面，并处理每块金属热沉3的夹持面，使其粗糙度为2微米。金属框架4，外框长为观毫米，内框长25毫米，在金属框架4各面中心位置打直径为3毫米的螺纹孔，安装相应个数的顶丝7。每块金属热沉3通过顶丝7与金属框架4固定连接。金属热沉3的夹持面为圆弧面，并在金属热沉3的中心处设有循环水流通道6。使用时，首先在四棱形激光器晶体棒1的外侧包裹厚度为50微米的铟箔2，放在金属框架4之内，单块热沉3按对称分布在金属棒1的周围，各个扇形面经过铟箔2夹持激光器晶体1侧面。拧紧顶丝7，各个单块热沉3协调作用，组合夹持晶体棒1，保证每块热沉均能紧密夹持晶体棒1。激光器晶体1侧面得到数值偏高、分布较均勻的接触热导，再通过循环水流或者 TEC制冷的方式对各个单块热沉3散热。四棱柱状激光晶体在被四块独立热沉夹紧时，在激光器晶体1侧面得到较大的接触热导，降低晶体棒整体问题。
权利要求
1.激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持方法，包括激光晶体棒的包裹铟箔、金属热沉、金属框架和金属框架上面的顶丝，每块金属热沉上有循环水流通道，其特征是金属热沉的数量不小于三块，并对称加持激光器晶体，每块金属热沉的夹持面契合激光器晶体的接触面；金属框架是多边形，并根据金属热沉的数量决定多边形边数，每块金属热沉通过顶丝与金属框架每条边固定连接，通过使用顶丝夹紧激光器晶体。
2.根据权利要求1中所述的激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持方法，其特征是所述的金属框架包括金属凸台。
3.圆形激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持装置，它至少包括圆形激光晶体、激光晶体棒的包裹铟箔、金属热沉、金属框架和金属框架上面的顶丝，每块金属热沉上有循环水流通道，金属框架内有金属凸台，其特征是金属热沉的数量不小于三块，并对称夹持圆形激光器晶体，每块金属热沉夹持面为圆弧面，并契合圆形激光器晶体的接触面；金属框架是多边形，并根据金属热沉的数量决定多边形边数，每块金属热沉通过顶丝与金属框架每条边固定连接。
4.四棱形激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持装置，它至少包括四棱形激光晶体、激光晶体棒的包裹铟箔、金属热沉、金属框架和金属框架上面的顶丝，每块金属热沉上有循环水流通道，金属框架内有金属凸台，其特征是金属热沉的数量是四块，并对称夹持圆形激光器晶体，每块金属热沉夹持面为平面，并契合四棱形激光器晶体的接触面；金属框架是多边形，并根据金属热沉的数量决定多边形边数，每块金属热沉通过顶丝与金属框架每条边固定连接。
全文摘要
本发明是激光二极管端泵固体激光器晶体散热热沉的夹持方法。包括激光晶体棒的包裹铟箔、金属热沉、金属框架和金属框架上面的顶丝，每块金属热沉上有循环水流通道，其特征是金属热沉的数量不小于三块，并对称加持激光器晶体，每块金属热沉的夹持面楔合激光器晶体的接触面；金属框架是多边形，并根据金属热沉的数量决定多边形边数，每块金属热沉通过顶丝与金属框架每条边固定连接，通过使用顶丝夹紧激光器晶体。激光器晶体温度沿表面均匀变化，温度最大值变小，对于晶体热效应的轴对称性，及防止晶体端面局部温度过高而炸裂有所帮助。
文档编号H01S3/02GK102377095SQ20111038118
公开日2012年3月14日 申请日期2011年11月26日 优先权日2011年11月26日
发明者刘海强, 王石语 申请人:刘海强