[发明专利]一种低应力散热装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光技术领域，特别涉及应用于固体激光器中的一种低应力散热装置及其制造方法。

背景技术

固体激光器具有波长短，效率高，光束质量好，体积小，重量轻等优点，广泛应用于医疗、测量、工业加工等领域。

固体激光器在工作过程中，由泵浦光为固体增益介质提供激光能量，在此同时，部分能量以废热的形式残留于固体激光增益介质当中，为了使激光器可以连续运转，必须将这部分热量从固体激光增益介质中带走。由于固体激光增益介质中体热源所产生的热量只能从表面传递出去，这就不可避免地造成了固体激光增益介质内部和表面的温度差。固体激光器工作时，不均匀的体热源分布及表面散热的冷却方式，导致固体激光增益介质内部以及表面温度分布的不均匀，温度非均匀分布使得高温区域介质的热膨胀受到低温区域介质热膨胀的制约，于是固体激光增益介质中以及表面便产生了热应力。

由于热应力和温度差的存在，导致固体激光增益介质内部的折射率差异，这就是弹光效应。在激光晶体中，弹光效应会引发折射率椭球的旋转，产生双折射效应；当固体激光器中存在偏振敏感元件时，双折射效应将导致固体激光器的输出功率下降，即退偏损耗，这些效应都会导致固体激光器输出的激光光束质量下降和功率下降。

综上所述，减小固体激光增益介质传热时产生的内部应力，提高固体激光增益介质向外的传热能力，是固体激光器研究和制造中的重要问题。

对于固体激光器，常用的散热方法都要用到散热器（冷却器），传统的散热器材料如铜（Cu）、铝（Al）都具有较高的热导率，但是传统散热器材料的热膨胀系数与钇铝石榴石（YAG）、钕（Nd）玻璃、氟化钇锂（Nd:YLF）等固体激光增益介质材料相差很大；新型的散热器材料如氧化铍（BeO）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）的热膨胀系数和固体激光增益介质材料相对比较接近，但热导率不高，而且加工较困难；具有较好热膨胀匹配的铜钨复合（Cu-W）散热器材料热导率偏低。

另外，对于固体激光器，固体激光增益介质和散热器一般都是独立的，在固体激光增益介质和散热器之间利用导热胶等材料形成热界面。这种独立结构的优点是便于更换，但缺点是：①热界面热阻往往很高，影响激光输出功率；②热界面不均匀，而且热膨胀系数不匹配，影响激光输出质量；③热界面性质不稳定，影响固体激光器工作寿命。

近年来，将固体激光增益介质和散热器焊接为一体的散热结构已出现，优点是热阻较小，但固体激光增益介质和散热器的热膨胀系数不匹配，容易在固体激光增益介质表面和内部产生应力的缺点更为突出，造成输出激光质量下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低应力散热装置及其制造方法，用以解决现有技术固体激光增益介质表面和内部产生应力，并且散热结构的散热效果不佳的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来实现的。

本发明提供了一种低应力散热装置，包括：固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器；按照预先设计的形状和尺寸，安装所述固体激光增益介质和所述散热器，并在所述固体激光增益介质和所述散热器之间形成缝隙；通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层；其中，所述热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同；所述热匹配-扩散层的热导率大于等于所述散热器的热导率；将所述固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型，形成一体式结构。

其中，所述热匹配-扩散层材料包括基体材料组分和调节组分；通过调节所述调节组分在热匹配-扩散层材料中所占比例，获得具有特定热膨胀系数和特定热导率的热匹配-扩散层。

其中，所述基体材料组分为金属材料或金属合金材料；所述调节组分为金刚石粉。

其中，所述固体激光增益介质的几何构型至少包括板条型、薄片型、圆棒型、方棒型。

本发明还提供了一种低应力散热装置的制造方法，包括：按照预先设计的形状和尺寸，安装所述固体激光增益介质和所述散热器，并在所述固体激光增益介质和所述散热器之间形成缝隙；通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层；将所述固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型，形成一体式结构。

其中，通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层，包括：所述热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同；所述热匹配-扩散层的热导率大于等于所述散热器的热导率。