一种复合结构碟片激光增益模块及其冷却方法

本发明属于激光器，具体涉及一种复合结构碟片激光增益模块及其冷却方法。

背景技术：

1、碟片激光器增益模块采用的典型冷却方案是将激光增益介质整体固定到具有高热导率的金属或金刚石等热沉材料上，增益介质后表面通过焊接等方法与热沉顶部接触。碟片激光器运转时，增益介质内产生的热量首先沿纵向传导至热沉上，进一步利用冷却液对热沉制冷通过热交换将产生的热量带走，从而实现对碟片激光增益介质的散热。但由于碟片增益模块中增益介质的径厚比大、厚度非常薄，容易发生形变，这不仅对碟片增益介质光学加工和镀膜过程的要求极高，而且为了避免超薄碟片激光增益介质的形变，需要热沉材料具备较高热导率的同时还要具有一定的厚度和强度，能够在冷却液压力作用下不发生形变，从而为碟片增益介质提供足够强度的支撑。这种结构和冷却方案虽然能够实现较高平均功率的激光输出，但在激光器高功率运转时，一方面较厚的热沉会形成较大的热阻效应，影响散热，另一方面，在热沉厚度方向会形成温度梯度、使热沉产生热形变，进而引起固定在热沉上的碟片增益介质面形产生畸变，从而限制了碟片激光器输出功率、效率以及光束质量等性能的进一步提升。此外，在碟片增益介质与热沉焊接或键合过程中，由于激光增益介质、焊料、热沉材料的热膨胀系数通常差异较大，此过程同样可能引起碟片的形变，在焊接或键合过程中形成的界面缺陷也会在增益介质与热沉接触面之间形成热阻，从而严重制约激光器的性能，甚至可能导致界面连接失效，损坏增益介质。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明提供一种复合结构碟片激光增益模块及其冷却方法，能够克服热沉材料本身、热沉材料与碟片激光增益介质连接缺陷等因素形成的热阻效应，能够显著提高碟片激光增益介质的冷却效率，从而实现碟片激光器性能的提升。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、第一方面，提供一种复合结构碟片激光增益模块，包括：复合结构碟片激光增益介质；具有通孔的热沉冷却基座，所述复合结构碟片激光增益介质位于所述通孔的一端并与所述热沉冷却基座固定连接；冷却液管道将冷却液由所述通孔的另一端输送至所述通孔内，冷却液被喷射至所述复合结构碟片激光增益介质的表面并吸收所述复合结构碟片激光增益介质上的热量后，由冷却液管道与所述通孔的内壁之间的空间流出。

4、进一步地，所述复合结构碟片激光增益介质包括复合结构碟片激光增益介质未掺杂区域和复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域，所述复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域朝向所述热沉冷却基座。

5、进一步地，所述复合结构碟片激光增益介质未掺杂区域为石榴石陶瓷、倍半氧化物陶瓷或氟化物陶瓷，所述复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域为稀土离子掺杂石榴石陶瓷、倍半氧化物陶瓷或氟化物陶瓷。

6、进一步地，所述复合结构碟片激光增益介质未掺杂区域为石榴石晶体、氧化物晶体或氟化物晶体，所述复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域为稀土离子掺杂石榴石晶体、氧化物晶体或氟化物晶体。

7、进一步地，所述复合结构碟片激光增益介质未掺杂区域的厚度为0.5~5.0mm，所述复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域的厚度为0.1~1.0mm。

8、进一步地，所述复合结构碟片激光增益介质背向所述通孔的一面镀有增透膜，朝向所述通孔的一面镀有高反膜。

9、进一步地，所述高反膜朝向所述通孔的一面镀有金属膜。

10、进一步地，所述热沉冷却基座的材质为金刚石、铜、铝、铜合金或铝合金。

11、进一步地，所述冷却液为水、液态金属、液氮或有机溶剂。

12、第二方面，提供一种第一方面所述的复合结构碟片激光增益模块的冷却方法，包括：冷却液通过射流方式由冷却液管道输送至所述通孔内并喷射至所述复合结构碟片激光增益介质的表面，冷却液吸收所述复合结构碟片激光增益介质上的热量后，由冷却液管道与所述通孔的内壁之间的空间流出。

13、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

14、（1）本发明通过复合结构碟片激光增益介质安装于热沉冷却基座通孔的一端并与热沉冷却基座固定连接；冷却液管道将冷却液由通孔的另一端输送至通孔内，冷却液被喷射至复合结构碟片激光增益介质的表面并吸收复合结构碟片激光增益介质上的热量后，由冷却液管道与所述通孔的内壁之间的空间流出；从而克服了热沉材料本身、热沉材料与碟片激光增益介质的连接缺陷等因素形成的热阻效应，能够显著提升碟片激光增益介质的冷却效率；

15、（2）本发明利用复合结构激光增益介质代替传统碟片激光器中超薄碟片激光增益介质，结合具有通孔的热沉冷却基座，复合结构激光增益介质能够直接与冷却液接触，不需要传统碟片增益模块中用于支撑超薄碟片的热沉材料作为中间层导热介质，激光器运行时产生的热量能够更有效的被冷却液带走，有利于实现更高功率和效率的激光输出；

16、（3）本发明采用具有适中径厚比的复合结构激光增益介质代替传统碟片激光器中大径厚比的超薄碟片激光增益介质，激光离子掺杂部分仍具备较薄厚度，为增益区，未掺杂部分较厚，用来支撑和维持复合结构增益介质整体面形强度，能够通过调控复合结构增益介质中未掺杂部分的材料厚度调控增益介质整体强度，能够有效解决传统碟片增益模块由于厚度太薄在加工、焊接等制备工艺中产生的易变形问题，降低工艺难度；

17、（4）本发明复合结构激光增益介质中未掺杂部分在起到支撑和维持增益介质整体面形的同时，由于未掺杂区没有激活离子存在，同时具备一定的厚度，因此与传统的超薄整体掺杂碟片增益介质相比，这种结构能够有效减小激光器在高功率运行下的放大自发辐射（ase）效应，从而减少废热的产生，有利于提高碟片激光器的效率和输出功率上限。

技术特征：

1.一种复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，所述复合结构碟片激光增益介质包括复合结构碟片激光增益介质未掺杂区域和复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域，所述复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域朝向所述热沉冷却基座。

3.根据权利要求2所述的复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，所述复合结构碟片激光增益介质未掺杂区域为石榴石陶瓷、倍半氧化物陶瓷或氟化物陶瓷，所述复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域为稀土离子掺杂石榴石陶瓷、倍半氧化物陶瓷或氟化物陶瓷。

4.根据权利要求2所述的复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，所述复合结构碟片激光增益介质未掺杂区域为石榴石晶体、氧化物晶体或氟化物晶体，所述复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域为稀土离子掺杂石榴石晶体、氧化物晶体或氟化物晶体。

5.根据权利要求2所述的复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，所述复合结构碟片激光增益介质未掺杂区域的厚度为0.5~5.0mm，所述复合结构碟片激光增益介质激光激活离子掺杂区域的厚度为0.1~1.0mm。

6.根据权利要求1所述的复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，所述复合结构碟片激光增益介质背向所述通孔的一面镀有增透膜，朝向所述通孔的一面镀有高反膜。

7.根据权利要求6所述的复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，所述高反膜朝向所述通孔的一面镀有金属膜。

8.根据权利要求1所述的复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，所述热沉冷却基座的材质为金刚石、铜、铝、铜合金或铝合金。

9.根据权利要求1所述的复合结构碟片激光增益模块，其特征在于，所述冷却液为水、液态金属、液氮或有机溶剂。

10.一种权利要求1~9任一项所述的复合结构碟片激光增益模块的冷却方法，其特征在于，包括：冷却液通过射流方式由冷却液管道输送至所述通孔内并喷射至所述复合结构碟片激光增益介质的表面，冷却液吸收所述复合结构碟片激光增益介质上的热量后，由冷却液管道与所述通孔的内壁之间的空间流出。

技术总结
本发明公开了激光器技术领域的一种复合结构碟片激光增益模块及其冷却方法，复合结构碟片激光增益模块，包括复合结构碟片激光增益介质、具有通孔的热沉冷却基座，所述复合结构碟片激光增益介质位于所述通孔的一端并与所述热沉冷却基座固定连接；冷却液管道将冷却液由所述通孔的另一端输送至所述通孔内，冷却液被喷射至所述复合结构碟片激光增益介质的表面并吸收所述复合结构碟片激光增益介质上的热量后，由冷却液管道与所述通孔的内壁之间的空间流出。本发明克服了热沉材料本身、热沉材料与碟片激光增益介质的连接缺陷等因素形成的热阻效应，能够显著提高碟片激光增益介质的冷却效率，从而实现碟片激光器性能的提升。

技术研发人员：马杰,杨帆,王俊,沈德元
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12