[发明专利]一种固体激光器冷却热沉

说明书

本发明公开了一种固体激光器冷却热沉，包括封盖和热沉基底，所述热沉基底上分布设置有柱状凸起阵列；所述柱状凸起阵列上设置有弹性换热机构，所述弹性换热机构在冷却介质的流动作用下产生振动；所述封盖与所述热沉基底封装后形成冷却热沉。热沉基底上设置的柱状凸起阵列，有效增大了热沉内部的换热面积，热沉内部的弹性换热机构内特有的多孔金属纤维网，具有强化换热的效果。同时，弹性换热机构内的金属丝弹簧线圈增大了冷却介质的当量导热系数，加强了流体内部的混合和扰动，消除了传统柱状凸起后方区域换热系数明显低于迎流面区域换热系数的缺点，进一步增大了热沉的换热效率，大幅提高了冷却效率。

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及到一种固体激光器冷却热沉。

背景技术

高功率固体激光器系统中，激光增益介质吸收的泵浦光只有部分转化为激光输出，其余绝大部分转换为废热沉积在增益介质内部，形成非均匀的热分布，以双端面泵浦的板条固体激光器为例，泵浦光在增益介质中传输时按指数形式被吸收而衰减，因此沿着板条长度方向内热源分布近似为平缓的“V”型。由于固体增益介质只能依靠非泵浦外表面的冷却将热量带走，内部的生热和外表面的冷却必然在增益介质内部形成温度梯度，相应产生的热应力和热应变以及增益介质折射率的改变最终导致激光输出功率的降低和光束质量的下降。在激光器的发展历程中，热效应问题一直是制约激光器向超高功率和优质光束质量方向发展的一个主要障碍。

近年来，为了适应高功率密度电子产品散热的需要，半导体制冷、微喷射制冷、气液沸腾相变冷、微热管冷却等比较先进、独特的冷却技术相继出现并发展起来，并率先在微电子领域获得应用，而在固体激光器上的应用则报道很少，主要是由于固体激光器的瞬时热功率远远超过现有的高功率电子产品，一些先进的冷却技术在超高热功率下往往出现不稳定的换热恶化现象，给激光器增益介质带来极大的隐患。

现阶段高功率固体激光器的通用冷却方式为液体直接冷却和依靠微通道热沉强制对流冷却，其中微通道冷却热沉是最常用且可靠程度最高的冷却方式，微通道冷却技术主要是基于微通道内的微尺度效应来提高对流换热系数，根据R.A.Riddle等人的研究：流量一定时，矩形通道中流体总的传热系数与通道水力直径成反比，因此，随着通道直径的减小，换热系数增加。

目前，高功率固体激光器微通道冷却热沉的当量直径一般在0.1mm～0.4mm之间，激光器输出功率的日益提升对微通道热沉的冷却效率提升提出了较高的要求，进一步缩小冷却热沉当量直径可能会造成通道的堵塞，且冷却效率不会有显著提高，因此仅仅通过减小通道的水力直径已无法满足激光器的冷却需求。为提高微通道热沉的冷却效率，需要在微通道内部设置复杂的流道结构以进一步减薄流动边界层或者在流经微通道热沉的冷却介质中添加高导热系数颗粒以提高冷却介质的导热系数，但是复杂的流道结构研制成本高，加工难度大，难以大批量生产制造，且在冷却介质汇总添加高导热系数颗粒后往往会造成微通道的堵塞，进而使整个热沉冷却失效。目前高功率激光器冷却方案中广泛采用结构最简单的平行沟槽状或针肋状微通道热沉，尚没有较好的方式来大幅度提高其冷却效率，且其内部简单的流道无法与激光增益介质内部近似“V”型的热量分布相匹配。

发明内容

本发明提供一种固体激光器冷却热沉，用以解决现有技术高功率激光器冷却方案中广泛采用结构最简单的平行沟槽状或针肋状微通道热沉，尚没有较好的方式来大幅度提高高功率激光器冷却效率的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种固体激光器冷却热沉，包括封盖和热沉基底，

所述热沉基底上分布设置有柱状凸起阵列；

所述柱状凸起阵列上设置有弹性换热机构，所述弹性换热机构在冷却介质的流动作用下产生振动；

所述封盖与所述热沉基底封装后形成冷却热沉。

可选的，所述弹性换热机构包括多孔金属纤维网；

所述多孔金属纤维网贯穿所述柱状凸起阵列中的每一个柱状凸起并固定在所述柱状凸起上。