[發明專利]一種用于大功率板條激光器的微結構復合相變冷卻集成系統

無效

• 申請號: 201010113048.5
• 申請日: 2010-02-24
• 公開（公告）號: CN102163788A
• 公開（公告）日: 2011-08-24
• 發明（設計）人: 徐靖中
• 申請（專利權）人: 北京中科光睿科技有限責任公司
• 主分類號: H01S3/042
• 分類號: H01S3/042;H01S5/024
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種新型的大功率板條激光器冷卻系統，特別涉及一種用于大功率板條激光器的微結構復合相變冷卻集成系統。

技術背景

二極管泵浦大功率固體激光器在工業和軍事上有重要應用。激光切割和激光焊接是其最重要的工業應用方向，而定向能武器則是其在軍事領域的應用之一。這些應用領域不僅要求高功率，而且要求高光束質量。隨著固體激光器輸出功率的增大，固體激光工作介質的發熱量也在增加。固體激光工作介質——激光晶體的熱積累會引起晶體熱畸變，從而導致激光光束質量下降。因此，如何在提高激光輸出功率的同時，對固體激光工作介質實施“有效散熱”，以保證固體激光器的高光束質量以及穩定輸出，一直是固體激光器設計制造中亟待解決的技術瓶頸。目前常用的冷卻方法為水冷方法，包括常規水冷及微通道水冷熱沉方法，常規水冷方法的冷卻熱流密度約10w/cm²，已經難以適應固體激光輸出功率不斷增大的技術發展要求。微通道水冷熱沉方法稱其最大熱流密度可達1000w/cm²，實際使用中，由于水對銅基通道的銹蝕作用會造成微通道堵塞，冷卻介質必須使用去離子水，增加系統運行成本，且系統承受高壓，并不是理想選擇。而且，水冷系統都須配備泵、管道、水箱及制冷機組，體積龐大，難以滿足多方面應用需求，亟待固體激光器冷卻散熱技術的創新性的突破。

本發明的內容：

本發明的目的在于提供一種可適用于大功率板條激光器的微結構復合相變冷卻集成系統。其技術方案如下：

一種新型的大功率板條激光器的復合相變冷卻集成系統，其特征在于：所述的大功率板條激光器復合相變冷卻集成系統，其板條激光工作介質為特殊工藝加工制成的光熱晶體組合件；其復合相變冷卻系統由微槽群蒸發器、微溝槽冷凝器，TEC熱電模塊，薄膜溫度傳感器，熱控子系統，連接管道及外散熱空冷子系統等部件組成。復合相變冷卻系統對光熱晶體組合件進行“有效散熱”冷卻。

所述的光熱晶體組合件由板條激光晶體及高熱導晶體組合而成。泵浦光源經光學整形柱面微透鏡整形后由板條激光晶體側面進入，板條兩個大面與面積比大于2的高熱導晶片緊密貼合，板條的兩個端面分別設置激光諧振腔后腔鏡及激光諧振腔輸出鏡。光熱晶體組合件表面集成有薄膜溫度傳感器。

所述的復合相變冷卻系統的微槽群蒸發器，其蒸發表面為各種截面形狀的微槽群，截面形狀包括三角形、矩形、梯形及可加工成型的其他截面形狀，界面形狀的特征尺度在0.2～1.0mm之間。

所述的微溝槽冷凝器工作表面由梯形截面微溝槽組成，進入的蒸汽在微溝槽頂面凝結，冷凝液由于表面張力聚集到微溝槽谷底，經微溝槽流到冷凝器底部。微溝槽冷凝器凝結面的外側表面設置有薄膜溫度傳感器。

所述的TEC熱電模塊用導熱膠緊貼微溝槽冷凝器凝結面的外側表面，熱控子系統依據光熱組合件及微溝槽冷凝器凝結面外側表面薄膜溫度傳感器測到的溫度值對TEC模塊制冷實施功率控制，保證光熱晶體組合件工作溫度恒定。

所述的外散熱空冷子系統由翅片散熱器及風扇組成。翅片散熱器平面通過導熱膠與TEC熱電模塊的散熱面緊貼，冷凝器內凝結熱通過翅片散熱器和風扇散入周圍大氣環境。

本發明的目的是這樣實現的：

泵浦光源經光學整形柱面微透鏡整形后形成光截面為扁矩形的一維平行光，由光熱晶體組合件側面中間進入。光熱晶體組合件中的激光晶體所產生的熱量經高熱導晶體熱擴散后，傳導到緊貼光熱組合件的微槽群蒸發器，微槽群蒸發器微槽中的液態工作介質吸收相變潛熱后汽化成蒸汽，蒸汽經聯結管道進入微溝槽冷凝器，在凝結表面釋放出相變潛熱后轉變為液態，沿溝槽流到冷凝器底部，經連接管道流回微結構蒸發器儲液槽和微槽群，完成一個相變循環。微溝槽冷凝器凝結表面釋放出的熱量，由緊貼其背表面的TEC熱電模塊制冷面吸收，再從TEC模塊放熱面通過翅片風扇系統散入周圍環境。熱控子系統依據光熱組合件表面及微溝槽冷凝器凝結面外側表面薄膜溫度傳感器測到的溫度值對TEC模塊制冷實施功率控制，保證光熱晶體組合件工作溫度恒定。

本發明的優點和技術效果是：

1，光熱晶體組合件具有優良的熱傳導和熱擴散能力，導熱率比銅基座提高近30％，并顯著降低熱流密度；

2，光熱晶體組合件顯著改善了激光晶體和導熱熱沉材料之間的熱失配，降低了激光晶體熱應力；

3，微結構復合相變冷卻系統的散熱功率比常規水冷冷卻高一個數量級，其實際使用熱流密度可達100w/cm²以上；