用于使激光器基板温度均匀化的方法和设备与流程

本发明涉及激光器，更具体来讲，涉及用于使激光器基板温度均匀化的方法和设备。

背景技术：

1、通常，激光器基板或激光器主体和光学元件支架由铝合金制成，因为铝具有良好的导热性(约230w/k/m)、易于机械加工、强度高且重量轻，并且铝是一种相对便宜的金属。然而，铝还有缺点：铝制零件在机械处理和自然老化后由于残余应力而容易变形，这使得难以确保激光器光学元件的位置恒定并保持光路的稳定取向，并且铝焊接是一个复杂的过程，反射镜、透镜、光纤分路器、偏振器等支架的光学机械组件通常用螺钉或胶水固定在激光器基板上，这会产生不需要的应力，这也可能导致光学元件未对准。另外，为了在激光器温度变化和温度梯度出现时保证光学元件的位置恒定和光路方向的稳定性，激光器基板和光学元件支架由具有超低温膨胀特性的合金制成，例如殷瓦合金或铁镍钴合金。也有尝试用sio2(二氧化硅)来制造激光器基板。

2、有一种已知的稳定激光器设备，其对温度变化的依赖性很弱，并由由sio2或殷瓦合金制成的激光介质、谐振器和谐振器支撑外壳构成，这些材料具有非常低的热膨胀系数。日本专利申请jps5645091(a)，1981中描述了一种已知的激光器设备。

3、已知该激光器设备的缺点在于，从技术上难以用殷瓦合金和sio2制造更大尺寸的激光器基板并将光学机械组件焊接其上。另外，sio2和殷瓦合金是相对较差的导热体，且不适合从发热的激光器元件散热。与铝合金或不锈钢相比，sio2和殷瓦合金还是昂贵的材料。

4、已知一种激光谐振器，其输入和输出反射镜安装在由殷瓦合金制成的底座上，反射镜之间装有激光器晶体和非线性光学晶体，热交换器安装在非线性光学晶体和底座之间以保持预期的非线性光学晶体温度。日本专利申请jph0895104(a)，1996中描述了一种已知的激光谐振器。

5、已知该设备的缺点在于，与铝相比，制造该设备底座的殷瓦合金是一种较差的热导体，不适合从强烈加热的激光器构件中散热。另外，与铝合金或不锈钢相比，殷瓦合金是昂贵的。

6、已知的固态激光器由二极管激光器或二极管激光器阵列从后部开始堆叠而成，其元件安装在低温膨胀基板上，该基板通过热电冷却器而得到热稳定。该激光器包括散热器、安装在散热器上的热电冷却器、安装在热电冷却器上的基板，以及安装在基板上的二极管激光器和光学构件。光学系统适于在二极管激光器的波长与活性介质的吸收带相匹配的特定温度下工作。热敏电阻测量基板的温度，并通过调节热电冷却器的电流，使得无论环境温度如何，都能保持基板恒定的工作温度。美国专利申请us5181214(a)，1993中描述了一种已知的激光器。

7、已知该激光器的缺点在于，应用这种方法来稳定大型激光器基板的温度复杂且昂贵、需要大量的热电冷却器和大量的电力来为热电元件供电，并且由于热电冷却器会释放大量的热量，从而必须提供额外的散热方式。另外，在竖直方向上，从底座的顶部到安装热电冷却器的底部，会出现很大的温度梯度，使得基板可能会弯曲，尤其是当基板的温度膨胀系数低到不可忽略的程度时。

8、有一种已知用于将光学元件附接至光学支架的方法和设备，其中光学元件安装在光学支架的竖直部分上并且支架的竖直部分附接至支架的基板。支架的基板包括加热器，例如电阻加热器，用于将支架的主板焊接至光学立架。为了在光学元件已焊接至光学立架上之后重新定位其位置，打开加热器直到焊料熔化，然后改变支架的位置并关闭加热器。美国专利no.6,292,499(b1)，2001描述了已知用于将光学元件附接至光学立架的方法和设备。

9、该已知方法和设备的缺点在于，光学元件的安装支架是在焊料加热熔化后调整的，结果大面积的光学立架暴露在温度下，支架变热，并且光学元件的位置可能会因焊料冷却和凝固时的温度变化和由此产生的应力而发生变化。另外，在焊料从液态转变为固态的过程中，光学元件的位置可能会发生变化，并且光路的方向可能会相应地发生变化。

10、已知一种用于薄盘激光器系统的热控制设备和方法，其借助有效导热性为10-20000w/m/k的机械控制振荡热管来使得通过整个薄盘激光器晶体或陶瓷达到接近等温的温度，薄盘激光器晶体或陶瓷与支撑结构的热膨胀系数相匹配。国际专利申请wo2011091381a2，2011描述了已知的一种用于薄盘激光器系统的热控制设备和方法。

11、该已知方法和设备的缺点在于，虽然通过消除温度梯度并相应地消除薄盘变形解决了大功率薄盘激光器晶体或陶瓷撑架的问题，但没有解决将光学元件附接至激光器基板和稳定光学元件位置的问题。

12、已知一种用于光学立架的液体冷却系统和确保光学立架热稳定性的方法。该光学立架由光学立架中在通道网络中循环的液体冷却，光学立架可通过冷板冷却，在某些情况下，液体还可冷却散发大量热量的光学元件。按此方式，适当控制通道网络中的液体流动可确保光学立架的冷却和均匀的温度分布。美国专利申请us2020161825(a1)描述了已知用液体冷却光学立架的系统和方法。

13、该已知用流动液体来稳定光学立架温度的系统和方法的缺点在于，采用液体冷却，必须采取特殊的密封措施，防止液体渗入系统。另外，需要冷却器来冷却和泵送液体以冷却和稳定温度。光学立架的液体冷却还需要额外的维护和服务，这是额外的成本和时间。

14、有一种已知的激光器二极管组件，其外壳和安装部分具有由铜形成的主体并具有由钢制成的护套。因此，可实现由钢构成的安装区域，同时可获得由铜提高的导热性。

15、该已知的设备的缺点在于，提高了激光器二极管组件外壳的导热性，但这并没有解决激光器基板变形和光学元件相对于彼此的位置在激光器温度变化和温度梯度出现时会错位的问题。美国专利申请us20140092931a1，2014中描述了一种已知的激光器二极管组件。

16、有一种已知的水冷面包板，其配备有两个平行的铜管，水从中流过。

17、该已知的面包板的缺点在于，从板上排出热量需要水流过铜管，因此该设备必须配备冷却器。另外，流经铜管的水比面包板温度低，因此会产生了使面包板弯曲的温度梯度。基本实验室工具文档中描述了一种已知的水冷面包板：“2015年10月时事通讯-液冷面包板”，2015年10月份25日(2015-10-25)，第1-4页，xp55836026,检索自互联网:url:https://www.baselabtools.com/october-2015-newslett er_b_22.html[retrieved on2021-08-30]

18、待解决技术问题

19、本发明的目的在于：增加激光器基板对局部温差的抵抗力，以确保光学元件的稳定定位，并相应地确保光路的方向性；抑制由于激光器元件发出的热量而在激光器基板中形成的温度梯度，并相应地减少激光器基板的突出，以减少激光器打开时激光器的预热时间；确保激光器基板和光学元件支架的抗自然老化能力，以增加激光器的可靠性和使用寿命；另外，简化激光器机械部分的结构、降低激光器生产成本、简化激光器组装和调整的程序，并使激光器适于大规模生产。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，根据本发明，提供一种使激光器基板温度均匀化的方法，其中激光器光学元件的支架附接至所述激光器基板，所述方法包括以下步骤：

2、选择将要制作所述激光器基板和光学元件支架的材料，

3、为所述激光器基板提供均温装置，

4、将所述光学元件支架附接至所述激光器基板并将二者最终对准，其中，

5、选择用于生产所述激光器基板和所述光学元件支架的材料是不锈钢，所述均温装置被配置为细长的被动传热构件，所述被动传热构件插入所述激光器基板中制成的孔阵列中，所述被动传热构件被选择为具有明显高于，优选地至少十倍于不锈钢的导热率和接近不锈钢的热膨胀系数，至少两个光学元件支架附接至所述激光器基板并使用激光点焊相对于彼此进行调整。

6、所述细长的被动传热构件由具有良好导热性的金属制成，优选为铜，更优选为纯铜。

7、插入所述激光器基板中的所述细长的被动传热构件是具有选定直径和长度的杆棒。

8、插入所述激光器基板中的所述细长的被动传热构件是具有选定直径和长度的热管，所述热管采用相变来传递热量，。

9、所述传热杆棒或热管相对于所述激光器基板沿一个或多个不同方向排列。

10、所述光学元件支架是整体式的；在安装到激光基板之前，所述支架根据两个正交平移坐标和一个旋转坐标在所述激光器基板的平面内对齐，之后使用激光电焊进行安装；安装后，使用激光点焊进行最终对准。

11、所述光学元件支架是复合式的，由整体式块和组成，所述整体式块在垂直于所述激光器基板的平面的平面内进行组装并相互对齐，并通过激光点焊进行固定；组装的支架在所述激光器基板的平面内对齐，并通过激光点焊固定在激光器基板上，或先使用激光点焊将下块对齐并固定至所述激光器基板，然后使用激光点焊将上块对齐并固定至块。

12、一种使激光器基板温度均匀化的设备，激光器光学元件支架附接至所述激光器基板，所述设备包括用于使所述激光器基板温度均匀化的装置，其中，所述激光器基板和所述光学元件支架由不锈钢制成，所述激光器基板的所述均温装置被配置为细长的被动传热构件，所述被动传热构件插入所述激光器基板中制成的孔阵列中；所述被动传热构件的导热性明显高于，优选不低于十倍不锈钢的导热性，且其热膨胀系数接近不锈钢；至少两个光学元件支架附接至所述激光器基板并最终通过激光点焊进行相互调整。

13、所述被动传热构件由具有良好导热性的金属制成，优选为铜，更优选为纯铜。

14、插入所述激光器基板中的所述细长的被动传热构件是具有选定直径和长度的杆棒。

15、插入所述激光器基板中的所述细长的被动传热构件是具有选定直径和长度的热管，所述热管采用相变来传递热量。

16、所述被动传热构件相对于所述激光器基板沿一个或多个不同方向排列。

17、所述被动传热构件插入所述激光器基板内制成的孔内，并沿一个方向彼此等间距排列。

18、所述被动传热元构件插入所述激光器基板中制成的孔中，可选地根据激光器基板的宽度和/或长度和/或高度，沿不同方向不相交地排列。

19、所述被动传热构件的端部通过相应的额外被动传热构件连接至所述激光器基板的外侧。

20、用于散发多余热量的散热器布置在所述激光器基板的两侧和被动传热构件的外侧。

21、所述光学元件的支架内嵌有杆状被动传热装置。

22、在所述激光器基板中，额外形成具有选定形状和方向的通道来用于散发多余的热量，其中有冷却剂(优选水)流动。

23、所述激光器基板和支架由aisi 304不锈钢制成。

24、本发明的优势：

25、本发明的优势在于，所述激光器基板和所述光学元件支架由不锈钢制成，具有优良的机械性能，但导热性较差，使得所述激光器基板并入被动传热装置，这可明显地提高所述激光器基板的导热性，并降低由于某些光学元件(如激光放大介质)发出的热量而在所述激光器基板中产生的温度梯度，所述某些光学元件显著地减少了所述激光器基板的变形，并相应地减少了所述光学元件的错位和所述光路的错位。

26、不锈钢具有优良的机加工性能，可铣、可车削，易进行电弧焊和激光焊、机械处理后残余变形小、具有高耐腐蚀性并具有抗自然老化能力；由于上述性质，使得即使经过多年，所述激光器基板也不会变形，所述光学元件的支架不会变形，所述激光器不会变形，且激光器参数也不会改变。然而，与铝(236w/m/k)相比，不锈钢具有足够低的导热性(15-18w/k/m)；根据本发明，为了提高不锈钢材质的所述激光器基板的导热性能，还提供了被动传热装置，用于有效地提高所述激光器基板内优选对称且均匀间隔排列的所述激光器基板的导热性能。所述被动传热装置可以是插入激光基板中铣出的孔中的铜棒。铜具有极高的热导率(400w/k/m)和与不锈钢的热膨胀系数充分匹配的热膨胀系数。所述激光器基板的总导热性取决于不锈钢激光器基板中铜棒的填充密度。例如，如果均匀分布的铜棒体积占所述激光器基板体积的一半，则这种复合式激光器基板的导热性接近于铝。通过按此方式来提高所述激光器基板的整体导热性能，所述激光器基板的机械性能变化不大，与不锈钢一样好。

27、另外，由于所述激光器基板的导热性得到提高，被动传热装置的插入则显著地缩短了所述激光器的预热时间，且所述激光器开启后激光器的工作温度分布稳定得更快。

28、不锈钢激光器基板中的被动传热装置可在任何方向上进行选择性地布置和定向，例如横跨激光器基板，并且根据所述被动传热装置的定向方向，热量则将最好地沿相同方向进行传递。同样还在同一块激光器基板中，被动传热装置可在多个方向上进行定向，例如根据激光器基板的长度、宽度和厚度进行定向，在这种情况下被动传热装置形成了二维或三维光栅。

29、再者，被动传热装置可以是金属热管，其中液体的相变用于传热，通过在管道较冷的地方蒸发液体和冷凝蒸汽从管道较热的部分来传递热量。热管的有效导热性可达100kw/k/m，而铜的导热性约为0.4kw/k/m。

30、被动传热装置和激光器基板之间的热接触通过使用导热膏、软焊料或铟来得到提高。

31、此外，为了提高激光器基板的热性能，可在激光器基板外侧的被动传热装置的端部额外连接附加的被动传热装置，使得温度分布更均匀。

32、通过将散热器附接至激光器基板和被动传热装置来冷却激光器基板；散热器可通过空气或水来进行冷却。另外，为了提高激光器的冷却效果，还可在激光器基板上增设供冷却剂(如水)流动的冷却通道。

33、使用不锈钢的另一个优势在于，同样由不锈钢制成的光学元件支架通过激光点焊固定在激光器基板上。激光点焊热影响区较小，因此光学元件的支架在焊接过程中不会脱落。与使用螺丝、胶粘或焊接来紧固相比，这种紧固方法具有极高的精度、耐温度变化、极低的残余应力的优点，确保了光学元件位置稳定以及光路方向随激光器温度的稳定变化。

34、另外，光学元件的支架可以是整体式的，由不锈钢制成，并根据两个正交平移坐标和一个旋转坐标在激光器基板的平面内对齐。再者，光学元件支架可以是复合式的，由两个垂直平面排列的整体块组成，光学元件支架附接至激光器基板，复合式光学元件支架使用激光点焊进行组装。

35、此外，被动传热装置也可并入光学元件支架中以进一步提高热性能。

36、另外，通过将激光脉冲引导至焊接或光学元件支架的适当位置，使得激光点焊的光学元件支架可用相同的焊接激光器非常精确地进行对齐。

37、此外，使用激光点焊将光学元件支架附接至激光器基板是自动化激光组装和大规模生产的理想选择。

38、还有，与胶粘或焊接技术相比，激光点焊是一种技术上清洁的固定光学机械组件的方法。

39、另一个优势在于，与铝合金相比，不锈钢的脱气性要低得多，这对于在紫外光谱区域产生更高光学谐波的激光器尤为重要；从激光器基板和机械单元发出的蒸汽在紫外线辐射的影响下沉积在非线性晶体的表面上，使得它们的性能会恶化，直到最终发生光学上的损坏。

40、本发明通过附图进行详细说明，附图不限制本发明的范围并且显示如下：

41、图1示出了具有被动传热装置的激光器基板，所述装置插入在所述激光器基板中铣出的孔阵列中，其中呈现了具有半透明图像的轴测投影。

42、图2a示出了具有被动传热装置的激光器基板，所述装置插入在所述激光器基板中铣出的孔阵列中，所述装置连接在所述激光器基板边缘处连接至其他被动传热装置，其中呈现了具有半透明视图的轴侧投影。

43、图2b示出了具有被动传热装置的激光器基板，所述装置插入在所述激光器基板中铣出的孔阵列中，所述装置连接在所述激光器基板边缘处连接至其他被动传热装置，但其中呈现轴侧投影，但视图不透明。

44、图3示出了具有被动传热装置和冷却散热器的激光器基板的俯视图，所述装置插入在所述激光器基板中铣出的孔阵列中，所述冷却散热器安装在其侧面。

45、图4示出了其中沿所有方向(长度、宽度和高度)插入了被动传热装置的激光器基板，其中呈现了轴侧投影。

46、图5示出了其中通过z轴插入了被动传热装置的激光器基板的视图，这些传热装置与激光器基板的底部的其他被动传热装置互连，且从下方看，在x轴方向上形成了冷却液流过的冷却通道。

47、图6示出了光学元件的支架，其中一个支架是整体式的，另一个是复合式的，且二者使用激光电焊附接至激光器基板，其中呈现了轴测投影，并仅示出了激光器基板的一段。