[发明专利]激光二极管端面泵浦固体激光器晶体棒的散热方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光二极管泵浦固体激光器，特别是激光二极管端面泵浦固体激光器晶体棒的散热方法。

背景技术

对于激光二极管端面泵浦固体激光器，泵浦光空间分布以及晶体对泵浦光轴向的吸收，引发端面形变、热应力双折射和热透镜效应。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，可能引起晶体的损伤；端面形变效应所占比例虽小，但是它可能引起晶体端面膜层的损坏。因此，如何合理设计散热系统对于固体激光器至关重要。

对于激光二极管端面泵浦柱状晶体，当前通用的一种晶体热沉结构是将晶体棒侧面用铟箔包裹，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导出。图1给出了传统热沉结构，它主要通过晶体棒1的圆周面包裹的铟箔2和铟箔2外侧面紧固的金属热沉3将晶体棒1内部产生的热量传导到半导体制冷器，由半导体制冷器吸收。但是，由于受到加工精度的限制，夹持晶体所用的金属热沉3内孔壁具有一定的粗糙度，它与所夹持的晶体之间存在缝隙，通常包裹晶体所用的材料铟箔2由于自身的延展性导致了它不可能完全填补缝隙，在激光晶体和金属热沉之间存在空气层，由于空气在不流动的情况下热传导系数极低，仅有0.023W/(m℃)，导致从晶体到外界导热通路的热阻极大，导热不畅。

发明内容

本发明的目的是提供一种可消除金属热沉和晶体间的缝隙，以便减小热阻的激光二极管端面泵浦固体激光器晶体棒的散热方法。

本发明的目的是这样实现的，激光二极管端面泵浦固体激光器晶体棒的散热方法，其特征是：谐振腔中的晶体棒与金属热沉之间有碳纳米材料层，晶体棒热量通过碳纳米材料层传导到金属热沉。

所述的金属热沉由上下两块金属热沉夹持固定。

所述的碳纳米材料层包裹在晶体棒的侧表面，其宽度小于或者等于晶体棒的长度。

所述的碳纳米材料层的厚度小于或者等于晶体棒与两块金属热沉构成夹持腔体之间的间隙。

本发明的特点是：通常包裹晶体所用的铟箔厚度为10～100μm，而单层碳纳米管材料的厚度在40nm左右，单层的径向导热系数约为0.21W/(m℃)，可以根据需要包裹若干层(一般小于100层)在晶体的侧表面，利用其厚度优势可以较有效的填补加工精度所导致的晶体和热沉之间缝隙，其热传导系数远高于空气，它的填充可以减小空气层带来的高热阻，从而使得由晶体到外界冷源之间的导热通路更为顺畅，有利于控制晶体温度，减小热效应的影响。

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是使用铟箔的传统晶体侧面散热结构图；

图2是使用纳米材料散热方法结构图；

图3是将纳米材料包裹在晶体侧面所用装置示意图。

图中：1、晶体棒；2、铟箔；3、金属热沉；4、碳纳米材料层；5、连接件；6、夹持工具；7、电动机；8、电动机旋转头；9、支架。

具体实施方式

如图2所示，晶体棒1外侧包裹碳纳米材料层4，与晶体棒1外径相一致的两半圆金属热沉3夹持包裹碳纳米材料层4的晶体棒1进行固定，由碳纳米材料层4将晶体棒1产生的热量导出到金属热沉3，再由金属热沉3传导给冷源如半导体制冷器吸收。由于碳纳米材料层4单层厚度在纳米量级，可以通过调节包裹的层数充分填充晶体棒1与金属热沉3之间的缝隙；碳纳米材料层4宽度小于或者等于晶体棒1的长度。碳纳米材料层4的厚度小于或者等于晶体棒1与两块金属热沉3构成夹持腔体之间的间隙。

由于碳纳米管材料层4的热传导系数远大于不流动的空气，因此它的填充可以减小从晶体棒1到金属热沉3之间的热阻。

包裹碳纳米材料层4可采用图3的方法，将晶体棒1输出端插入连接件5并紧固，电动机7的电动机旋转头8从另一侧插入连接件5并紧固，保证晶体棒1和电动机7的电动机旋转头8同步转动，将电动机7用夹持工具6固定在支架9的立柱上。开动电动机7，它的电动机旋转头8随即开始旋转，通过连接件5带动晶体棒1转动，随着晶体棒1的旋转，将从硅片上抽出的碳纳米材料层4层层包裹在晶体棒1的侧面。