一种激光晶体的散热夹持装置的制作方法

本实用新型涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种激光晶体的散热夹持装置。

背景技术：

半导体端面泵浦固体激光器具有结构简单、体积小巧、光束质量好、运行稳定、易于集成等特点，因此被广泛应用在激光打标、激光划线、精密调阻、激光清洗，以及激光内雕等激光加工行业。

激光晶体作为半导体端面泵浦固体激光器的核心部件，受到了半导体激光器泵浦光的直接照射。激光晶体对泵浦光的吸收效率较高，但是从激光晶体提取出来的能量却只占全部吸收能量的50％-70％，剩余的能量累积在激光晶体内部。如果不把激光晶体内部的热量及时转移，激光晶体内部热量会迅速累积，激光晶体温度骤然升高，从而导致强烈的热透镜效应，引起激光谐振腔热失调，最终激光器输出光功率下降、光束质量恶化。严重时激光晶体会发生炸裂现象，激光器发生故障导致无法使用。

另外，随着工业应用对激光加工效果及加工效率要求的不断提高，激光器输出光斑能量分布也越来越重要。激光器输出光斑能量分布与激光晶体内部温度分布梯度密切相关，为了获得截面内能量均匀分布的激光光斑输出，必须对激光晶体内部热量流动进行管理。一般情况下，激光晶体的上下左右四个面与热沉接触，前后端面为激光通光面与空气接触。因此，只需要对激光晶体内部热量沿激光晶体四个侧面的流动进行管理。根据热力学第二定律：热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。激光晶体中心位置温度最高，激光晶体内部能量会从激光晶体中心向四个侧面转移，能量转移速度与四个方向的热阻及温度梯度有关，热阻越小、温度梯度越大，能量转移速度越快。如果没有对激光晶体热量流动进行管理，采取常用的激光晶体夹具，由于激光晶体夹具底部与冷却块相接触，因此激光晶体底面会有速度最快的热量流动速度，激光晶体左右侧面热量流动速度相当，而激光晶体顶面的热量流动速度最慢，最终导致激光晶体的不同面上温度梯度分布有较大差异。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种激光晶体的散热夹持装置，解决激光晶体不同面上温度梯度分布差异较大，以及激光晶体内部热量转移速度较慢的问题。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种激光晶体的散热夹持装置，包括安装底座、固定压块、冷却水道机构；所述冷却水道机构设于安装底座的底部，固定压块与安装底座的顶部可拆卸式连接；所述安装底座的顶部设置第一台阶结构，其高阶台阶上设有第一U型凹槽；所述固定压块的底部设置第二台阶结构，其高阶台阶上设有第二U型凹槽；所述第二台阶结构的高阶台阶抵接在第一台阶结构的低阶台阶顶部布置，第二台阶结构的低阶台阶抵接在第一台阶结构的高阶台阶顶部布置，两高阶台阶之间形成容纳激光晶体的第一通孔；所述第一U型凹槽、第二U型凹槽均平行于第一通孔的长度方向布置，且分别位于第一通孔的两侧；所述安装底座的中部沿第一通孔的长度方向开设有第二通孔，该第二通孔位于第一通孔的正下方。

较佳地，所述安装底座包括底板、凸台，凸台设于底板的顶部，冷却水道机构设于底板的底部；所述第一台阶结构设于凸台的顶部，第二通孔设于凸台中部。

较佳地，所述冷却水道机构包括设于底板底部的多次迂回设置的冷却水道，及用于密封该冷却水道的水道密封板；所述水道密封板紧贴在底板的底部。

较佳地，所述冷却水道为在底板底部内凹形成的。

较佳地，所述冷却水道的四周设有密封槽，该密封槽上内嵌有密封圈。

较佳地，所述冷却水道机构还包括进水口、出水口；所述进水口设于冷却水道的一端，出水口设于冷却水道的另一端。

较佳地，所述第二通孔的横截面呈椭圆形构造。

较佳地，所述安装底座、固定压块采用紫铜材质。

较佳地，所述固定压块的顶部至其底部设有若干第一安装孔，凸台的上部对应设有第二安装孔；所述固定压块与安装底座经第一安装孔及第二安装孔可拆卸式连接。

较佳地，所述第一U型凹槽、第二U型凹槽均设为贯通凹槽。

采用上述方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过设置第一通孔、第一U型凹槽、第二U型凹槽，优化设置激光晶体不同方向的热阻，实现激光晶体四周温度梯度均匀化的目标，使得激光器输出光斑能量分布均匀化，从而获得良好的激光加工效果。此外，冷却水道采用多次迂回路线设计，增加了安装底座的水接触面积，提高了安装底座的散热速度，有效地抑制了激光晶体的热透镜效应，有利于获得高功率激光输出。

附图说明

图1为本实用新型的立体图；

图2为本实用新型的爆炸图；

图3为本实用新型的冷却水道的结构示意图；

图4为本实用新型的安装底座的立体图；

图5为本实用新型的固定压块的立体图；

图6为本实用新型的安装底座与固定压块的结构示意图；

图7为本实用新型的激光晶体的热量分布结构示意图；

其中，附图标识说明：

1—安装底座， 2—固定压块，

3—冷却水道机构， 4—第一安装孔，

5—第二安装孔， 6—第一通孔，

7—激光晶体， 11—底板，

12—凸台， 21—第二台阶结构的高阶台阶，

22—第二台阶结构的低阶台阶， 23—第二U型凹槽，

31—冷却水道， 32—水道密封板，

33—密封槽， 34—进水口，

35—出水口， 121—第一台阶结构的高阶台阶，

122—第一台阶结构的低阶台阶， 123—第一U型凹槽，

124—第二通孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

参照图1至6所示，本实用新型提供一种激光晶体的散热夹持装置，包括安装底座1、固定压块2、冷却水道机构3；所述冷却水道机构3设于安装底座1的底部，固定压块2与安装底座1的顶部可拆卸式连接；所述安装底座1的顶部设置第一台阶结构，其高阶台阶121上设有第一U型凹槽123；所述固定压块2的底部设置第二台阶结构，其高阶台阶21上设有第二U型凹槽23；所述第二台阶结构的高阶台阶21抵接在第一台阶结构的低阶台阶122顶部布置，第二台阶结构的低阶台阶22抵接在第一台阶结构的高阶台阶121顶部布置，两高阶台阶121/21之间形成容纳激光晶体7的第一通孔6；所述第一U型凹槽123、第二U型凹槽23均平行于第一通孔6的长度方向布置，且分别位于第一通孔6的两侧；所述安装底座1的中部沿第一通孔6的长度方向开设有第二通孔124，该第二通孔124位于第一通孔6的正下方。

其中，所述安装底座1包括底板11、凸台12，凸台12设于底板11的顶部，冷却水道机构3设于底板11的底部；所述第一台阶结构设于凸台12的顶部，第二通孔124设于凸台12中部。

所述冷却水道机构3包括设于底板11底部的多次迂回设置的冷却水道31，及用于密封该冷却水道31的水道密封板21；所述水道密封板32紧贴在底板11的底部。所述冷却水道31为在底板11底部内凹形成的。所述冷却水道31的四周设有密封槽33，该密封槽33上内嵌有密封圈(图中未示出)。所述冷却水道机构3还包括进水口34、出水口35；所述进水口34设于冷却水道31的一端，出水口35设于冷却水道31的另一端。

所述第二通孔124的横截面呈椭圆形构造，但不仅限于椭圆形构造。所述安装底座1、固定压块2采用紫铜材质。所述固定压块2的顶部至其底部设有若干第一安装孔4，凸台12的上部对应设有第二安装孔5；所述固定压块2与安装底座1经第一安装孔4及第二安装孔5可拆卸式连接。所述第一U型凹槽123、第二U型凹槽23均设为贯通凹槽。

本实用新型工作原理：

如图6所示，第二台阶结构的低阶台阶22的长度d2大于第一台阶结构的高阶台阶121的长度D1；第二台阶结构的高阶台阶21的长度D2小于第一台阶结构的低阶台阶122的长度d1。当第二台阶结构抵接在第一台阶结构后，则在凸台12顶部与固定压块2底部之间形成第一通孔6，当激光晶体7内置于该第一通孔6时，激光晶体7的上侧与第二台阶结构的低阶台阶22接触，激光晶体7的下侧与第一台阶结构的低阶台阶122接触，激光晶体7的左右两侧面分别与两高阶台阶121/21的侧壁接触。

如图7所示，将激光晶体7内部热量的传输简化为四个部分，分别为上侧、下侧、左侧、右侧。由于热量只能自发地从温度高的地方流向温度低的地方，并且激光晶体7中心的温度最高，所以激光晶体7上侧的热量不可能穿过激光晶体7的中心向下传输，只会向激光晶体7上方的第二台阶结构的低阶台阶22传输，然后通过激光晶体7左右两侧的高阶台阶121/21，最后向冷却水道31传输。同理，激光晶体7左侧和右侧的热量传输到两高阶台阶121/21后，最后向冷却水道31传输。而激光晶体7下侧的热量则直接向下传输，通过冷却水道31的水带走热量。

明确激光晶体7内部热量传输路径之后，在热量传输路径上增加通孔来改变激光晶体7不同面热量传输方向的热阻，并依据实际情况设定半导体激光泵浦光在激光晶体7内部的分布，然后把激光晶体7内泵浦光分布等效为热源分布，以热力学基本公式为模拟依据，结合激光晶体7夹持装置的边界条件，对激光晶体7以及夹持装置温度分布进行有限元分析，从而得到激光晶体7及夹持装置的具体温度分布。改变激光晶体7热量传输路径上第二通孔124及U型凹槽123/23的位置及外形尺寸，直到激光晶体7及夹持装置的温度梯度呈均匀分布。记录此时激光晶体7热量传输路径上第二通孔124及U型凹槽123/23的位置及外形尺寸，以上即为激光晶体7夹持装置中U型凹槽123/23与第二通孔124的设计原理。

由于热量流动是从温度高处至温度低处，导热金属(本实施例中采用紫铜材质)的体积越大，热阻越小，热量流动越快。本实用新型主要是通过调节热阻，改变热量流动方向的导热金属的体积以改变热阻。第一通孔6周围的固定压块2、凸台12即热沉，由于底板11的底部设有冷却水道机构3，而凸台12与底板11连接，若未设置第二通孔124，激光晶体7底面热量非常容易流走；此外，左右两个侧面与底面距离较近，激光晶体7的热量也容易从底面流走；但是第一通孔6的顶部，因与底面距离较远，激光晶体7的顶部热量很难流到冷却水道机构3，故未设置通孔。从而，本实用新型通过设置第一通孔6、第一U型凹槽123、第二U型凹槽23，优化设置激光晶体7不同方向的热阻，实现激光晶体7四周温度梯度均匀化的目标，使得激光器输出光斑能量分布均匀化，从而获得良好的激光加工效果。

固定压块2与安装底座1之间，可经螺钉穿过第一安装孔4、第二安装孔5安装。安装底座1底部同时设计了固定孔位，水道密封板32为铝板，上面布置了螺钉安装孔，可以通过该螺钉安装孔将水道密封板32固定到安装底座1上，安装前需要把密封圈先镶嵌到密封槽33内；水道密封板32对安装底座1的冷却水道31进行密封，防止漏水，冷却水道31的两端分别布置进水口34与出水口35，用于冷却水道31的水循环。冷却水道31采用多次迂回路线设计，增加了安装底座1的水接触面积，提高了安装底座1的散热速度，有效地抑制了激光晶体7的热透镜效应，有利于获得高功率激光输出。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。