[发明专利]激光二极管泵浦固体激光器中晶体端面散热方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光二极管泵浦固体激光器的散热方法，特别是激光二极管泵浦固体激光器中晶体端面散热方法。

技术背景

在激光二极管泵浦固体激光器的设计过程中，晶体热效应影响是客观存在的，如何控制、减弱晶体热效应的影响是直接决定了激光器的功率输出效率。

晶体热效应表现为热透镜效应、热应力双折射效应和端面形变效应，其中，晶体热透镜效应占绝对优势，它会对激光产生汇聚作用，热应力双折射效应影响激光的偏振态，若热应力超出晶体所能承受的范围，可能会引起晶体的损伤。端面形变效应所占比例虽小，但是它应可能引起晶体端面膜层的损坏。对于端面泵浦的圆棒晶体，当前通用的一种晶体热沉结构是将晶体棒侧面用铟皮包裹，然后用两块金属热沉夹持，再用半导体制冷器紧贴金属热沉外侧将热量带出。图1给出了传统热沉结构，它主要通过晶体棒的圆周面包裹的铟皮3和铟皮3外侧面紧固的晶体热沉上组件4和晶体热沉下组件5将热量传导到半导体制冷器，由半导体制冷器传向冷源。其热流路径如图1中的箭头方向所示。我们以0.1％掺杂的Nd:YAG晶体为例，其吸收长度约为2mm，热量主要集中在晶体端面处2mm范围内，若使用直径3mm，长10mm的晶体，实际有效散热面积仅为侧面积的1/5，更何况金属热沉和晶体均存在着一定的热阻，因此，随着泵浦功率的增加，大功率泵浦时晶体的有效散热影响更加明显。图1的的结构更容易使晶体端面产生热形变，限制输出功率的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光二极管泵浦固体激光器中晶体端面散热方法，以便有效的提高了晶体散热效果，减弱晶体热效应对二极管泵浦固体激光器性能影响，提高二极管泵浦固体激光器性的可靠性和寿命。

本发明的目的是这样实现的，设计一种激光二极管泵浦固体激光器中晶体端面散热方法，它至少包括激光二极管泵浦固体激光器谐振腔中的棒状晶体2，其特征是：谐振腔中棒状晶体2的晶体泵浦端面有面接触的金刚石薄片1，通过金刚石薄片1将棒状晶体2泵浦端面热量传导给冷源进行散热。

所述的金刚石薄片1和棒状晶体2的圆周面包裹铟皮3，铟皮3外侧面紧固晶体热沉上组件4和晶体热沉下组件5，通过晶体热沉将热量传导到半导体制冷器，由半导体制冷器进一步吸收晶体热沉传导的棒状晶体2的热量。

所述的金刚石薄片1厚度在1-3mm之间，金刚石薄片1的直径大于等于棒状晶体2直径。

本发明的特点是：由于二极管端面泵浦固体激光器的热耗主要集中在晶体泵浦端面中心，采用金刚石薄片与晶体泵浦端面直接接触，将集中于晶体端面处的热量通过金刚石传导至给冷源，以此提高了晶体的散热效率，减弱热效应的影响。金刚石热导率极高，由于金刚石对于中心波长为808nm的泵浦光高透，其透过率约为70％(30％的损耗主要来源于表面反射与内部吸收，可以通过表面镀增透膜的方法降低表面反射损耗，进一步提高透过率)。因此，它能有效的提高了晶体散热效果，减弱了晶体热效应对二极管泵浦固体激光器性能、可靠性和寿命的影响。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明。

图1是传统晶体散热结构示意图；

图2是本发明实施例结构示意图；

图3是晶体端面直接散热装置导热路径示意图。

图中：1、金刚石薄片；2、棒状晶体；3、铟皮；4、晶体热沉上组件；5、晶体热沉下组件。

具体实施方式

如图2所示，激光二极管泵浦固体激光器谐振腔中的棒状晶体2泵浦端面(图中棒状晶体2后向位置)紧贴金刚石薄片1，由于对0.1％掺杂的Nd:YAG晶体来说，其吸收长度约为2mm左右，热量主要集中在晶体端面开始的2mm范围内，因此金刚石薄片1可以迅速将棒状晶体2泵浦端面热量直接导送至冷源吸收，使棒状晶体2的泵浦端面迅速降温。

所述的金刚石薄片1厚度可以在1-3mm之间，金刚石薄片1的直径大于等于棒状晶体2直径。

使用金刚石薄片1的好处还在于它是导热透光材料，工艺上极容易配合，使得一方面不会影响激光二极管泵浦源的光能；其次对原有的加工工艺影响不大。

同样的为了不改变原有性能好的加工工艺，也是为了更好的使泵浦端面降温，在金刚石薄片1和棒状晶体2的圆周面包裹铟皮3，铟皮3外侧面紧固晶体热沉上组件4和晶体热沉下组件5，再通过晶体热沉将热量传导到冷源如半导体制冷器，由半导体制冷器进一步吸收晶体热沉传导的棒状晶体2热量。

这种将两种结构进行结合的散热效果可通过图3箭头方向的热流图充分说明其优点。如图3所示，金刚石薄片1将棒状晶体2的泵浦端面产生的热量以大于铜的5倍导热率向金刚石薄片1四周传导和辐射。辐射带走了大部分热量。传导到晶体热沉上组件4和晶体热沉下组件5带走了一部分热量。让棒状晶体2的泵浦端面剩余热量产生的热效应不足影响激光二极管泵浦固体激光器的功率输出。该散热方式的导热路径在传统热沉的基础之上不仅增加了一条更为直接、有效的路径，即热量由泵浦端面的产生处直接通过金刚石薄片1辐射；同时还将侧面的热量由热沉传导至外界。在不影响原有加工工艺的情况下，达到提高二极管泵浦固体激光器性的可靠性和寿命的目的，同时提高二极管泵浦固体激光器性输出功率。