[發明專利]基于碳化硅晶體的端面泵浦板條激光放大器晶體冷卻模塊

在審

• 申請號: 201510418350.4
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN104993360A
• 公開（公告）日: 2015-10-21
• 發明（設計）人: 寧建;韓克禎;王兆偉;王祎然;侯佳;張百濤;何京良
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01S3/042
• 分類號: H01S3/042
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 許德山

技術領域

本發明涉及一種板條激光放大器技術領域的裝置，具體涉及一種基于碳化硅(SiC)晶體的端面泵浦板條激光放大器晶體冷卻模塊。

技術背景

半導體泵浦的全固態激光器(Diode?Pumped?Solid?State?Laser,簡稱為DPSSL)，是固體激光技術發展過程中的巨大革新。過去幾十年，DPSSL得到了迅猛的發展，它兼顧了半導體和固體激光器各自的優點，在激光器的壽命、效率、光束質量、可靠性以及穩定性等方面都得到了很大的改善，從而得到了廣泛的應用。傳統的固體激光器增益介質多采用棒狀形式，這種激光器在承受熱負荷時徑向溫度梯度大，熱效應(包括熱透鏡效應、熱致雙折射效應等)嚴重，大大影響了輸出光束的光束質量，限制了激光器的輸出功率；碟片激光器很好的解決了晶體的熱效應，但是由于碟片晶體厚度薄，軸向增益低，難以獲得高效率激光輸出；板條激光器本身的幾何結構消除了應力感生雙折射，采用晶體的兩個大面進行冷卻，消除了一級熱效應，并且它在軸向增益高，效率高，可以得到比棒狀固體激光器更好的光束質量和更高的平均輸出功率。同時，為了滿足實際應用的需要，選用光束質量接近衍射極限的種子激光器作為主振蕩級，采用板條作為激光放大器，可以較高的輸出功率和良好的光束質量。

板條激光放大器又具有很多類型，按泵浦方式來分主要有：端面泵浦、側面泵浦以及上下表面靠近端面處帶狀局部泵浦和上下表面大面積泵浦四種。上下表面大面積泵浦只能將上下兩個表面分別作為泵浦面和制冷面，單一表面進行制冷容易在泵浦方向的縱向上產生熱梯度，影響輸出光束的光束質量。側面泵浦方式泵浦光只能從兩個小的側面進行泵浦，這就要求泵浦光有較好的方向性才能耦合進增益介質。而端面泵浦方式可以使種子光束與泵浦光束得到很好的匹配，在保證高光束質量的前提下獲得高功率的激光輸出，是目前板條激光器和板條激光放大器最常采用的方式。

目前板條狀晶體(如圖1所示)基本上在兩個大面采用水冷熱沉來進行散熱，這樣在均勻泵浦的情況下，工作介質內的溫度梯度是一維分布的，即溫度梯度只存在于垂直晶體大面的方向上。這種一維的熱場分布，不易產生熱致雙折射從而防止了熱退偏，以達到減弱甚至消除熱透鏡的目的。目前通常是將激光晶體(如摻釹釩酸釔等)兩個大面鍍金然后焊接到銅質的熱沉上，由于受到熱沉體積的限制只能進行微通道冷卻，在大功率泵浦情況下散熱不及時，這樣晶體在泵浦過程中受熱極易在熱應力作用下產生變形甚至破裂。并且銅質熱沉在通水過程中易產生銅銹，如果采用微通道方式冷卻的話極易造成微通道堵塞造成冷卻失效，影響輸出光束的功率和光束質量，甚至造成晶體炸裂。北京理工大學張恒利提交的申請號為201010194290.x、發明名稱為“閃光燈泵浦半條增益模塊”的專利申請即屬于此列。

發明內容

本發明的目的在于克服現有的端面泵浦板條激光器中板條晶體采用金屬熱沉焊接冷卻方案中，在大功率泵浦情況下晶體散熱不及時以及銅質材料在通水過程中易產生銅銹堵塞熱沉造成元件損壞或失效的不足，采用熱導率高并且熱膨脹系數與增益介質非常接近的碳化硅晶體作為冷卻熱沉，晶體和熱沉通過鍵合或光膠的方式結合，消除晶體在受熱過程中因熱應力產生的變形，將熱應力對光學元件的危害降至最低，從而在較高的泵浦功率下獲得大功率高光束質量的激光輸出而提出的一種基于碳化硅晶體的端面泵浦板條激光放大器晶體冷卻模塊。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于碳化硅晶體的端面泵浦板條激光放大器晶體冷卻模塊，包括：碳化硅熱沉1、板條激光晶體、碳化硅熱沉2、絕熱轉接固定板，其特征在于碳化硅熱沉1和碳化硅熱沉2是長方體板型材，其底面中間帶有凹陷面，兩碳化硅熱沉1和2上與底面相平行的方向上分別帶有水流通道，兩碳化硅熱沉1和2帶有凹陷面的底面分別與板條激光晶體兩個冷卻面鍵合或膠合連接，碳化硅熱沉1和2的兩凹陷面略大于板條激光晶體的冷卻面，使得凹陷面與板條激光晶體的冷卻面能緊密的接觸；碳化硅熱沉2被固定在絕熱轉接固定板上。

所述的碳化硅熱沉1和碳化硅熱沉2當中水流通道采用微通道方式,以確保激光晶體均勻散熱，消除局部熱梯度；

所述的絕熱轉接固定板材料為有機玻璃；

所述的碳化硅熱沉2被固定在絕熱轉接固定板上的固定方式采用膠合連接的方式。

所述的板條激光晶體結構是指冷卻面(上下兩個大面)遠大于通光面的矩形板條狀結構。