專利名稱：用于聲光裝置的耐蝕流體冷卻布置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有耐蝕的基于流體的冷卻布置的聲光裝置。
背景技術(shù)：
聲光(AO)技術(shù)利用由聲應(yīng)變波在適合材料塊(稱為AO交互作用介質(zhì))中引起的 衍射效應(yīng)來實現(xiàn)對電磁波的控制。通常，將應(yīng)變波發(fā)射到能夠在同一區(qū)中支持應(yīng)變波及光 波兩者的適合AO材料中。聲應(yīng)變波賦予AO介質(zhì)中與電磁波的傳播相關(guān)的折射率擾動。通 過控制聲應(yīng)變波的波幅，可實現(xiàn)對電磁波的控制。已知AO裝置中的熱產(chǎn)生由三個主要源引起光吸收、聲吸收及轉(zhuǎn)換器處的歐姆發(fā) 熱。最小化所述熱源以維持裝置性能及穩(wěn)定性通常是A0裝置設(shè)計的目標。光吸收及聲吸收兩者均在A0介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生熱且必須使其熱傳導(dǎo)出所述材料。此傳 導(dǎo)過程受A0介質(zhì)的導(dǎo)熱率及周圍散熱器材料的導(dǎo)熱率的限制。一旦選擇特定A0介質(zhì)及聲 傳播模式，則光吸收及聲吸收為固定的。第三熱源，歐姆發(fā)熱，通常通過良好轉(zhuǎn)換器設(shè)計來 控制。在典型的A0Q開關(guān)裝置中，施加到聲轉(zhuǎn)換器用以產(chǎn)生足夠衍射以使激光振蕩停止 所需的射頻(RF)功率通常至少約為數(shù)十瓦特。在此情況下，空氣冷卻將不再可行而水冷卻 通常成為必須。水冷卻既用于移除來自聲吸收的熱又用于移除來自歐姆發(fā)熱的熱。對聲波通過A0 介質(zhì)之后的聲功率的此吸收對A0Q開關(guān)的正確操作是至關(guān)重要的。如果未完全吸收聲功 率，則其一些將被反射，其中其通常將在若干微妙的延遲之后與激光光束第二次相遇，且因 此可第二次引起衍射。此效應(yīng)并非所期望，且通常導(dǎo)致不可靠效應(yīng)(“脈沖后”)及缺乏對 激光器的控制。此項技術(shù)中已知聲吸收器用來在某種程度上減少聲反射。在A0介質(zhì)中，可依靠其固有的聲吸收來吸收聲能量。此導(dǎo)致在A0介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生熱， 所述熱應(yīng)在隨后被傳導(dǎo)出所述A0介質(zhì)以將任何溫度升高限制于可接受水平。如上文所述， 在典型的A0裝置中，所述裝置中的聲功率通常為數(shù)十瓦特。如果所有此功率均轉(zhuǎn)換成A0 襯底內(nèi)的熱(且然后通過熱傳導(dǎo)移除)，則橫跨所述A0介質(zhì)將產(chǎn)生顯著溫度梯度。已知顯 著溫度梯度將降級A0裝置的特性。因此，通常較佳地改為嘗試且將來自A0材料的聲能量 抽取到例如聲轉(zhuǎn)儲器/散熱器中，所述聲轉(zhuǎn)儲器/散熱器通過強制空氣/傳導(dǎo)/水冷卻來 冷卻。直接在散熱器材料中吸收聲能量對總結(jié)構(gòu)的熱管理可為有利的，這是因為可將散 熱器材料的導(dǎo)熱率選擇為顯著高于A0介質(zhì)的導(dǎo)熱率。許多材料可用于此類型的聲光交互 作用。對于在lPm左右操作的高功率激光器來說，主要選擇通常為晶體石英及熔化硅石。下文使用熔化硅石作為實例來闡述主要設(shè)計步驟及考慮事項。為實現(xiàn)AO裝置(且特定來說一些A0Q開關(guān))的穩(wěn)定性能，在操作期間產(chǎn)生的熱必 須被抽取且必須將裝置溫度升高限制為可接受水平。一種極普遍的冷卻方法為在不會干預(yù) 光束從AO晶體的輸入面到其輸出面筆直通過的位置中將金屬冷卻板附接到AO介質(zhì)。所述 板通常通過使水流動通過形成于冷卻板中的密閉通道來冷卻。通常，泵維持水的流動。所 選金屬板材料的機械、熱及聲特性對實現(xiàn)最優(yōu)裝置性能為重要的。通常，基于所述特性的組 合選擇特定材料。特定來說，材料中冷卻相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)為比聲阻抗(ZJ及導(dǎo)熱率(K)。如此項技術(shù)中已知，如果兩種不同材料在平面界面處接合在一起，且聲波在其中 的一者中傳播以使得其與該界面區(qū)相遇，則已知在該界面處反射之聲功率量相依于兩個層 的聲阻抗，zai、za2。如果zai = za2，則一般而言，在此界面處不會存在反射，否則所反射的 聲功率比例將相依于比率Zm/ZM。因此，如果特性阻抗Zai的AO交互作用介質(zhì)接合到具 有特性阻抗Za2的散熱器/聲轉(zhuǎn)儲器材料，則僅在所述兩個聲阻抗相等時，才會存在直接在 散熱器中完全吸收聲能量的可能性。應(yīng)注意，對于特定材料來說，PV，其中P為材料 的密度且V為其聲速。因此，即使AO交互作用介質(zhì)及散熱器為不同材料(例如，分別為硅 及鋁)，只要每一者中的P與V的乘積幾乎相同，則散熱器會如所需將最小聲功率量反射回 到A0介質(zhì)中。考慮到冷卻板材料的機械、熱及聲特性經(jīng)常導(dǎo)致選擇鋁或類似材料或合金(例 如，鋁合金)。包括鋁的板的普遍問題是冷卻通道中由于鋁與水及與可能存在于水系統(tǒng)內(nèi)的 其它金屬的交互作用所致腐蝕(氧化)的襲擊。通過改變冷卻流體的PH難以停止此腐蝕， 這是因為鋁在中性、以及低PH及高pH水溶液兩者中具有不同尋常的易受腐蝕的特性。腐蝕的主要影響包含接合處泄漏、將腐蝕產(chǎn)物注射到流體流中、冷卻通道的堵塞 及減少操作壽命。所有所述因素可導(dǎo)致系統(tǒng)性能的惡化且可導(dǎo)致Q開關(guān)的失效(由于不充 分冷卻)或利用同一冷卻劑回路的其它組件的失效。已揭示試圖最小化腐蝕相關(guān)問題的許多“解決方案”。所有已知解決方案均具由至 少一個顯著缺點。下文將描述若干常見“解決方案”。A0裝置(包含基于A0的Q開關(guān))的慣例為用耐蝕材料金屬電鍍冷卻塊，其意圖是 在腐蝕敏感的冷卻塊材料(例如，鋁合金)與周圍環(huán)境之間形成勢壘層。例如，可將經(jīng)陽極 化或非電鍍的鎳表面涂層施加于鋁及其合金。盡管意圖是保護冷卻通道的內(nèi)部表面及外部 表面兩者免遭與冷卻劑流相關(guān)聯(lián)的氧化，但由于電鍍過程的性質(zhì)，外部表面通常被不均勻 地電鍍，內(nèi)部通道表面由于難以使電鍍材料沿通道的內(nèi)側(cè)向下延伸而未被電鍍材料完全覆 蓋。不能在冷卻通道的內(nèi)部表面中適當?shù)仉婂兝_著電解及非電解電鍍過程兩者。因此， 金屬電鍍在防止腐蝕方面提供有限的有效性。而且，冷卻劑流可導(dǎo)致存在于冷卻通道內(nèi)側(cè) 的勢壘材料的磨蝕腐蝕。在此過程中，冷卻劑流中的小微粒連續(xù)撞擊冷卻通道的內(nèi)壁，因此 磨蝕鍍層且曝露下面的金屬，然后所述金屬以甚到更快的速率腐蝕。而且，在經(jīng)電鍍布置中 抽取熱的效率不高，這是因為與塊狀冷卻劑材料(例如，鋁)相比，結(jié)束于冷卻塊材料的外 側(cè)表面(塊的側(cè)面)上且因此在組裝后物理接觸光介質(zhì)的耐蝕板材料具有較小K。除A1或A1合金之外的更耐蝕的材料已被使用且已取得眾多成功。然而，盡管此 類替代材料已成功地實現(xiàn)更耐蝕的Q開關(guān)設(shè)計，但限制了總裝置性能。出現(xiàn)限制是由于不 同時存在良好的機械、熱及聲特性。通常，熱抽取效率不高，這是因為與大多數(shù)替代散熱器/聲轉(zhuǎn)儲器材料(例如，鋁)相比，耐蝕電鍍材料具有較差特性(更小K)。如果可抽取較 少熱，則隨后，較少RF驅(qū)動功率可施加于裝置且損害裝置效率(裝置效率與電驅(qū)動信號強 度成比例)。增加冷卻劑流動速率是可能的解決方案但此選項通常不可用。另外，增加冷卻劑 流率帶來額外的成本，例如，更大且更昂貴的水泵。冷卻板通常由固體金屬片制成，通過所述金屬片鉆制流動通道(“溝道”)以形成 將冷卻劑從板的一個側(cè)攜載到另一個側(cè)的連續(xù)通道。在鉆制“溝道”過程中，必須鉆制深入 所述材料中的孔，隨后在表面附近用堵頭堵塞所述孔以形成一個或一個以上不泄漏的連續(xù) 冷卻通道。具有溝道的冷卻劑板的顯著問題是在這些被堵塞的孔處由于粗劣的密封或由于 局部腐蝕所致的冷卻劑泄漏。所需的是用于AO裝置的耐蝕流體冷卻布置，其提供高導(dǎo)熱率及接近AO介質(zhì)的聲 阻抗值的聲阻抗。另外，此類布置應(yīng)為相對低成本的布置。

發(fā)明內(nèi)容
一種耐蝕流體冷卻聲光(AO)裝置包含AO交互作用介質(zhì)及附加到所述AO介質(zhì)的 壓電轉(zhuǎn)換器。冷卻布置熱耦合到所述A0介質(zhì)且包含第一材料及至少一個冷卻管道，所述至 少一個冷卻管道在所述第一材料內(nèi)熱接觸、由第二不同材料形成且具有耦合到其的入口及 出口。所述管道提供通道，其具有用于使冷卻劑流體流動通過的內(nèi)表面，其中所述管道包含 位于所述內(nèi)表面的其整個區(qū)域上方的連續(xù)耐蝕材料層。所述第一材料提供與所述耐蝕材料 相比更接近所述A0介質(zhì)的比聲阻抗的聲阻抗，及在25C下為至少75W/m-K的堆積導(dǎo)熱率。在一個實施例中，所述冷卻布置安置于所述A0介質(zhì)的兩側(cè)上。在本發(fā)明的實施例 中，所述第一材料與所述A0介質(zhì)之間的比聲阻抗在50 %以內(nèi)。在一個實施例中，所述耐蝕 材料可包括不銹鋼且所述第一材料可包括鋁或鋁合金。薄金屬氧化物層(在一個實施例中，通常10到30A的鋁氧化物)通常存在于所述 第一材料的表面上。此類氧化物不存在于經(jīng)電鍍布置中。所述耐蝕層可包括整個管道且其 厚度介于0. 1mm到1mm之間。在一個實施例中，所述冷卻管道為由所述第一材料圍繞且與所述第一材料物理接 觸的整體管道，所述冷卻管道的末端處除外。在另一實施例中，所述管道小于所述冷卻布置 的總質(zhì)量的10%。在一個實施例中，所述冷卻布置包括在所述A0介質(zhì)的至少一個側(cè)上與所述A0介 質(zhì)接觸的一層第一材料，及在所述第一材料層上其中形成有通道的至少一者的一層第二材 料，其中所述第二材料包括所述耐蝕材料。在此實施例中，所述冷卻布置可包括在所述A0 介質(zhì)的相對側(cè)上具有第一及第二層的夾層布置。在又一實施例中，所述冷卻布置包括具有 至少一個所形成通道接納區(qū)的所述第一材料的物件，其中所述通道完全由所述耐蝕材料形 成，且本文中所述通道受壓而與所述通道接納區(qū)接觸以實現(xiàn)所述通道與所述物件之間的熱 接觸。所述A0裝置可包括Q開關(guān)、調(diào)制器、移頻器、聲光可調(diào)諧濾波器(A0TF)或偏轉(zhuǎn)器。 在所述Q開關(guān)實施例中，系統(tǒng)可包括Q開關(guān)激光器，其進一步包括共振腔，所述共振腔包含 隨著所述腔的高反射后反射鏡及部分反射輸出耦合器以及固態(tài)激光器，其中所述Q開關(guān)在所述腔內(nèi)。


在審閱以下詳細說明連同附圖之后，將獲得對本發(fā)明及其特征及益處的更全面理 解，于所述附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的耐蝕流體冷卻聲光(AO)裝置的橫截面視圖。圖2顯示使用“內(nèi)澆鑄”方法形成的根據(jù)本發(fā)明實施例的冷卻劑部件。圖3顯示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的包括由夾層冷卻布置圍繞的AO介質(zhì)的AO裝置 的一部分。圖4顯示根據(jù)本發(fā)明又一實施例的冷卻劑部件，本文中稱為壓入管構(gòu)造。圖5顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的脈沖式A0Q開關(guān)式激光器系統(tǒng)的表示。圖6是與標準鋁冷卻裝置、塑料冷卻裝置及不銹鋼冷卻裝置相比較針對根據(jù)本發(fā) 明的內(nèi)澆鑄冷卻裝置隨時間而變獲得的Q開關(guān)式系統(tǒng)中的激光器功率輸出資料。激光器性 能(以功率計)恢復(fù)的速率是對冷卻有效性的測量。
具體實施例方式參考附圖描述本發(fā)明，其中在所述圖中相同參考編號用來指代類似或?qū)Φ仍?所述圖并非按比例繪制且提供所述圖僅是用于圖解說明實例發(fā)明。下文參考用于圖解說明 的實例性應(yīng)用描述本發(fā)明的若干方面。應(yīng)理解，闡述眾多具體細節(jié)、關(guān)系及方法以提供對本 發(fā)明的全面理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可認識到可在無所述具體細節(jié)中的一者或多 者的情況下實施本發(fā)明或借助其它方法實施本發(fā)明。在其它實例中，未詳細顯示眾所周知 的結(jié)構(gòu)或操作以避免使本發(fā)明不明確。本發(fā)明并非受限于所圖解說明的動作或事件的次 序，因為一些動作可按不同次序發(fā)生及/或可與其它動作或事件同時發(fā)生。此外，并非需要 所有所圖解說明的動作或事件來實施根據(jù)本發(fā)明的方法。參考圖1，耐蝕流體冷卻聲光(AO)裝置100包括AO交互作用介質(zhì)110及附加到所 述A0介質(zhì)的壓電轉(zhuǎn)換器115。其還顯示冷卻布置111及112，其熱耦合、或熱耦合并聲耦合 到A0介質(zhì)110的相對側(cè)。盡管顯示于A0介質(zhì)的相對側(cè)上，但在一些通常較低功率應(yīng)用中， 僅在A0介質(zhì)110的一個側(cè)上的單個冷卻布置便可提供充分冷卻。冷卻布置111及112各自包括第一材料132，其發(fā)揮散熱器及聲匹配材料兩者的 功能；及至少一個冷卻管道117，其與所述第一材料熱接觸、由第二不同材料形成且具有耦 合到其的入口 118及出口 119。管道117提供通道，其具有用于使冷卻劑流體流動通過的內(nèi) 表面122。至少冷卻管道117的內(nèi)表面122由耐蝕材料形成。所述耐蝕材料在內(nèi)管道表面 的整個區(qū)域上方提供連續(xù)層。在一個實施例中，大致整個冷卻管道117由耐蝕材料形成。第 一材料132包括A0介質(zhì)匹配材料，其與A0介質(zhì)110熱接觸、或熱接觸并聲接觸。所述A0裝 置可包括各種A0裝置，包含Q開關(guān)、調(diào)制器、移頻器、聲光可調(diào)諧濾波器(A0TF)或偏轉(zhuǎn)器。用于第一材料132的材料通常在其提供高導(dǎo)熱率(K )及與A0介質(zhì)110的聲阻抗 的良好聲阻抗匹配兩者時表現(xiàn)最優(yōu)。第一材料132在其散熱器功能中提供在25C下大于等 于50W/m K的堆積導(dǎo)熱率，例如大于等于100W/m K，或在另一實施例中大于等于150W/ m -K0所述第一材料在其匹配材料功能中還提供與耐蝕材料122相比更接近A0介質(zhì)110的比聲阻抗的比聲阻抗。如此項技術(shù)中已知，聲阻抗通常具有不同剪切(S)值及縱向(L)值。 而且，在聲波以任何非法向方向入射在AO介質(zhì)與散熱第一材料132的邊界處的情況下，最 可能的結(jié)果是一些聲能量將向外耦合(作為S及L模式)且一些聲能量將作為S及L兩種 模式又保持在材料內(nèi)。即使在入射波為單純S(或單純L)時此也適合。在所述邊界處的數(shù) 次反射之后，在AO介質(zhì)內(nèi)很可能存在將需要向外耦合到散熱器中的S與L模式的混合。對 于至少一者，且通常對于相應(yīng)S及L聲阻抗兩者，第一材料132與AO介質(zhì)110之間的比聲 阻抗匹配通常在50%之內(nèi)，例如在40%之內(nèi)或在30%之內(nèi)。本文中所使用的百分比是參考 較高值測量的。例如，如果相應(yīng)聲阻抗值為13xl06及18xl06，則相差程度為5/18 = 28%。導(dǎo)熱率K及聲阻抗匹配可融合為第一材料132/A0介質(zhì)110組合的優(yōu)良指數(shù) (M*)。M*可定義為導(dǎo)熱率與平均(對于S及L模式)相對聲阻抗的比率。所述相對聲阻抗 定義為當散熱器阻抗大于AO襯底阻抗時，散熱第一材料132的聲阻抗與特定AO材料的聲 阻抗的比率。對于A0介質(zhì)110的聲阻抗大于第一材料132的聲阻抗的情況，所述相對聲阻 抗為反比率，以使得此比率在用于產(chǎn)生M*時應(yīng)從不小于1.0。在一個實施例中，例如當K =100W/m*K且平均聲阻抗比率為小于等于1.5時，M*大于等于67W/m*K。在另一實施例 中，M* 大于 200W/m K。鋁(及其合金)可基于以下條件用作用于本發(fā)明實施例的第一材料132 其相對 于其它金屬的低成本、其接近常用光學(xué)介質(zhì)(例如，石英)的聲阻抗的聲阻抗、及其在25C 下大約216W/m-K的相對高堆積導(dǎo)熱率。鋁具有比不銹鋼321及不銹鋼410高不止一個量 級的導(dǎo)熱率。鋁合金以及包含銅、鋅及黃銅的其它相對低的相對成本材料也可用作第一材 料132，所述材料提供接近A0裝置中通常使用的A0介質(zhì)(例如，石英)的聲阻抗的聲阻抗， 及在25C下至少100W/m K的堆積導(dǎo)熱率。在鋁及熔化硅石的情況下，所提供的聲阻抗匹 配為對于縱向波來說約為1. 3且對于剪切波來說約為1. 01。值1. 01是基于公開文獻中 引用的聲速值及密度值。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，此比率將相依于(特定來說)意欲 具有粒狀結(jié)構(gòu)的散熱器材料中的一系列參數(shù)，例如密度及速率的變化。盡管相對于石英A0介質(zhì)進行描述，但本發(fā)明可用于其它A0材料。例如，通常也可 使用三硫化二砷、二氧化碲及亞碲酸鹽玻璃、硅酸鉛、Ge55As12S33、氯化汞(I)、溴化鉛(II)。用于冷卻管道117的內(nèi)表面122的各種耐蝕材料可用于本發(fā)明。如本文中所定 義，耐蝕材料是當經(jīng)由在25C下具有pH 7的水電解質(zhì)耦合到元素銅時比元素鋁更耐蝕的材 料。本發(fā)明的實施例中所用的耐蝕類材料是不銹鋼，其在本文中定義為具有最小10. 5%鉻 含量的鐵碳合金。通常通過添加最小13% (按重量計)的鉻實現(xiàn)在周圍溫度在空氣中的 高抗氧化，且高達26%的鉻用于苛刻的環(huán)境。已知鉻用于在暴露于氧的條件下形成氧化鉻 (III) (Cr203)鈍化層?？捎糜诒景l(fā)明的其它耐蝕材料包含鋅、鎳及錳，及包含某些陶瓷及聚 合物的非金屬。在一些情況下，由銅或銅合金制成的冷卻管材料可為適合的，這是因為此將 是與主要包括銅及銅合金的冷卻系統(tǒng)的適合匹配。在低導(dǎo)熱率耐蝕材料的情況下，耐蝕材 料的厚度通常盡可能多的減少以促進熱傳遞到匹配材料。在本發(fā)明的實施例中，A0裝置包含鋁(或鋁合金)散熱器構(gòu)造以實現(xiàn)低成本及提 高不期望聲能量的轉(zhuǎn)儲。耐蝕材料(例如不銹鋼)的嵌入式管允許對A0介質(zhì)的水冷卻且 提供不可通過使用切割到鋁或鋁合金塊中的通道提供的不受腐蝕。因此，本發(fā)明的實施例組合用于A0裝置的擁有所需機械、熱及聲特性的材料(例如，鋁或鋁合金)的最好相關(guān)特性與不同于第一材料的第二材料的最好特性(耐蝕)。特定 來說，冷卻板材料的導(dǎo)熱率盡可能高，且聲阻抗應(yīng)盡可能接近AO介質(zhì)的聲阻抗值。下文將描述此方法的三個不同實例性實施例。在下文所述的實施例中，冷卻布置 111、112通常在本文中稱為板，其是利用制作其的材料中的每一者的最好相關(guān)特性的復(fù)合 結(jié)構(gòu)。盡管通常稱為板，但根據(jù)本發(fā)明的冷卻布置可呈除板狀形狀外的各種形狀，例如L形 截面、U形截面或利用下文所述的內(nèi)澆鑄過程的大致更復(fù)雜形狀。圖2顯示使用“內(nèi)澆鑄”方法形成的根據(jù)本發(fā)明一個實施例的冷卻劑板200。為形 成此布置，可購得至少一個冷卻通道205或可以其它方式將其預(yù)形成為薄壁、耐蝕管，例如 其厚度范圍介于0. 1mm到1mm。將適合材料澆鑄在含有一個或一個以上預(yù)形成耐蝕管205 的模具(未顯示)中來形成冷卻板200。此為“內(nèi)澆鑄”過程，其中管205終止于澆鑄材料 215內(nèi)。所述管可包含組成區(qū)211及212，其在澆鑄材料215外側(cè)延伸以提供便捷的入口及 出口。預(yù)形成管205的形狀可經(jīng)最優(yōu)化以實現(xiàn)最終冷卻通道的所需布局。防止在模制過程 期間澆鑄材料(例如，金屬，舉例來說A1)進入預(yù)形成管的內(nèi)側(cè)。冷卻之后，可從模具移除 鑄件?，F(xiàn)在預(yù)形成管205提供穿過鑄件的冷卻通道。由于冷卻管205通常僅是散熱器總質(zhì) 量的較小比例，例如小于總質(zhì)量的10% (所述散熱器的大多數(shù)質(zhì)量由聲學(xué)更有利的材料構(gòu) 成，例如鋁合金)，因此散熱器/聲轉(zhuǎn)儲器也可從與其熱接觸的交互作用介質(zhì)或其它光學(xué)介 質(zhì)有效地吸收聲能量。如以上所述，可使冷卻管的小截面211及212從鑄件215突出，以便可連接到冷卻 劑源而不使冷卻劑接觸鑄件。在典型的基于AO裝置的最終設(shè)計中，冷卻板以常規(guī)方式通過 使用熱及聲傳導(dǎo)粘合劑層附接到AO交互作用介質(zhì)(硅或石英)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員非常 了解用于所述層的此類材料。在一個實施例中，預(yù)形成管205可由不銹鋼制成且所述澆鑄材料可基于鋁或鋁合 金。已完成的冷卻板200類似于具有“帶”不銹鋼“套”的水通道的鋁冷卻板一樣操作。除 產(chǎn)生具有兩種個別材料的優(yōu)點的解決方案之外，使用內(nèi)澆鑄技術(shù)的另一顯著優(yōu)點是具有整 體(單件)管的冷卻板不可能在“通道”板中發(fā)生泄漏，而在上述經(jīng)機加工的水通道的情形 下可發(fā)生泄漏。在本發(fā)明的此實施例中，由于管材料(例如，不銹鋼管；高熔點)與散熱器/聲匹 配材料(例如，鋁或鋁合金；低相對熔點)之間熔化溫度的顯著差別，因此可進行澆鑄。在 完成澆鑄之后，可應(yīng)用后機加工以使所述鑄件形成所需的形狀且可鉆制適合安裝孔并在其 中攻出螺紋。圖3顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的包括由夾層冷卻布置圍繞的AO介質(zhì)301的AO裝置 300的一部分。A0介質(zhì)具有結(jié)合到其的轉(zhuǎn)換器315。如上文所述，A0裝置可以為Q開關(guān)、調(diào) 制器、移頻器、可調(diào)諧濾波器(例如，A0TF)、偏移器或任何需要熱管理的其它類型的A0裝 置。夾層冷卻布置包括夾持A0介質(zhì)301的多個層。在A0介質(zhì)301的兩側(cè)上是聲阻抗匹配 材料層302 (例如，鋁或鋁合金)，其也與包含至少一個冷卻管道的冷卻板303熱接觸。板 303的冷卻管道由耐蝕材料制成，其中以此一方式在所述板中機加工冷卻通道使得其形成 密閉通道，其中入口及出口點供冷卻從自圖3中所示的冷卻劑進口流到冷卻劑出口。圖中所顯示的是從兩側(cè)冷卻的實例性A0裝置部分300。然而，當不需要最大冷卻 能力時，可從一個側(cè)冷卻所述裝置。每一層的厚度及相應(yīng)層之間的結(jié)合可經(jīng)設(shè)定以產(chǎn)生最好的總熱性能。AO裝置與冷卻板之間的結(jié)合層可由所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的熱傳導(dǎo)與聲 傳導(dǎo)介質(zhì)形成。與AO介質(zhì)301接觸的聲阻抗匹配層302的厚度通常為適合將大部分聲能 量轉(zhuǎn)換為熱能量的厚度。另外，所述層的厚度通常應(yīng)足夠產(chǎn)生低的橫向熱阻。此允許在局 部產(chǎn)生的熱向邊側(cè)擴散，從而改進到水冷卻組件中的傳導(dǎo)。熱擴散的概念為熟悉經(jīng)受熱負 載的物理裝置的熱管理技術(shù)人員所熟知。熱擴散增加用于移除熱的有效橫截面面積。此在 將熱從材料(例如用于附接到AO介質(zhì)301的聲阻抗匹配層302中的鋁)傳遞到材料(例 如以耐蝕水冷卻元件303的形式使用的不銹鋼)時可為顯著的。用于熱傳導(dǎo)的大的橫截面 面積緩和不良導(dǎo)熱率。在本發(fā)明的某些實施例中，冷卻劑板303及聲阻抗匹配(例如，鋁) 板302附接到熔化硅石AO交互作用介質(zhì)301，其中外冷卻板303由不銹鋼制成且具有經(jīng)機 加工(或經(jīng)由模具或其它適合過程形成)的一個或多個冷卻劑通道。圖4顯示稱為壓入管構(gòu)造的根據(jù)本發(fā)明一個實施例的冷卻劑板400。此實施例在 光學(xué)介質(zhì)匹配材料(例如，鋁或其它適合材料)板401的一個側(cè)上機加工或以其它方式形 成(例如，模制)通道且然后將耐蝕管402壓入所述通道中以實現(xiàn)管與鋁之間的熱接觸。冷 卻板的相對面是連續(xù)表面，所述相對面與光學(xué)元件接觸以實現(xiàn)對裝置的冷卻。圖5顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的脈沖式AO q開關(guān)控制的激光器系統(tǒng)500的表示。 所示脈沖式激光器500是基于線性共振器腔設(shè)計且包括高反射后反射鏡501、部分反射輸 出耦合器502、固態(tài)激光器520及包括有源AO Q開關(guān)504的開關(guān)，有源AO Q開關(guān)504包括 具有結(jié)合到其的轉(zhuǎn)換器511的A0介質(zhì)及耦合到所述轉(zhuǎn)換器的RF驅(qū)動機516及任選的可 飽和吸收器512。盡管圖5中未顯示，但Q開關(guān)504包含根據(jù)本發(fā)明的冷卻布置，例如一 對圖2中所示的內(nèi)澆鑄冷卻劑板200，其在A0介質(zhì)509的兩側(cè)上沿紙的Z軸定向。在RF 驅(qū)動機516接通時，偏轉(zhuǎn)光束538導(dǎo)致低Q情形。當RF驅(qū)動機516關(guān)斷時，Q開關(guān)返回到 高Q情形，此允許激光器520提供脈沖式高功率激光器輸出532，例如具有傅立葉變換限制 (Fourier-Transform-Limited)脈沖包絡(luò)的平滑脈沖。根據(jù)本發(fā)明的冷卻板技術(shù)賦予在冷卻通道中具有極高耐蝕的優(yōu)點，此在其它冷卻 板布置中尚不能實現(xiàn)。本發(fā)明廣義上來說通常適合于使用聲能量且需要熱管理的裝置。例 如，除AO Q開關(guān)之外，本發(fā)明還可使其它基于A0的裝置獲益，包含調(diào)制器、移頻器、可調(diào)諧 濾波器(例如，A0TF)及偏轉(zhuǎn)器。本發(fā)明還可用于使聲裝置獲益，更一般來說，特別是那些 得益于提高的冷卻的裝置。盡管未顯示，但根據(jù)本發(fā)明的冷卻布置通常耦合到泵、熱交換器 及/或冷凍器以形成完整的冷卻系統(tǒng)。所執(zhí)行的測試已表明通過所述方法制作的裝置實現(xiàn)(或超過)使用鋁冷卻板的 現(xiàn)有裝置的性能級別，如下文實例中所呈現(xiàn)的資料所證明。^M應(yīng)理解，提供下文所述的實例僅用于說明性目的且并非以任何方式界定本發(fā)明的 范圍。曾設(shè)想出一種機構(gòu)內(nèi)部方法來確定各種Q開關(guān)冷卻方案的功效，包含類似于圖2 中所示裝置的根據(jù)本發(fā)明實施例的內(nèi)澆鑄冷卻布置。在圖6中顯示結(jié)果且在下文進行描 述。通用方法當RF功率接通時，加熱Q開關(guān)。此加熱與冷卻回路的操作一起導(dǎo)致數(shù)分鐘(例如，約5分鐘)之后的穩(wěn)定狀態(tài)情形。在此情形中，在Q開關(guān)最優(yōu)地對準且施加CWRF時，不存 在來自激光器的輸出功率，因此無法進行對激光器性能的測量。當切斷RF功率時，可測量 激光器輸出CW功率。另外，在RF關(guān)斷時，Q開關(guān)在冷卻回路的影響下冷卻。在此狀態(tài)中， 可進行功率對時間的測量以確定對激光器性能的影響。100W的RF功率是通常用于標準Q 開關(guān)裝置的最大功率且是用在所執(zhí)行的測試中的標準功率。發(fā)現(xiàn)此方法與客戶調(diào)查結(jié)果密 切相關(guān)。對用于本文報告的測試的冷卻裝置的描述1.參考裝置使用標準基于鋁的裝置作為參考。所述裝置具有經(jīng)鉆制的冷卻溝道，其中日堵頭 堵塞不期望的孔。鍍層為無電鍍鎳(EN)且已知所述裝置有腐蝕性，因為在冷卻鏜孔中缺少 EN覆層且由于冷卻劑流中的微粒所致的涂層的可能磨蝕。2.不銹鋼裝置不銹鋼裝置與參考裝置具有相同形式，但其完全由不銹鋼制成。最終表面精處理 是“酸洗及鈍化”。這些裝置不遭受腐蝕，但在激光器系統(tǒng)中表現(xiàn)不佳且另外在3堵頭處遭 受泄漏。3.塑料保護裝置此裝置與上文所述的標準鋁裝置相同，除了在水攜載鏜孔的內(nèi)部上具有塑料薄層 (< 50um)外。在真空中施加所述塑料層。4.根據(jù)本發(fā)明實施例的內(nèi)澆鑄裝置此裝置實體上看起來與參考裝置類似。然而，標準外殼的冷卻段由兩個經(jīng)由根據(jù) 本發(fā)明的內(nèi)澆鑄過程制作的冷卻板代替。所述裝置具有與上文列出的其它裝置相同的形式 因數(shù)，唯一不同的是冷卻劑通過內(nèi)澆鑄于冷卻段中的不銹鋼通道。測試方法1.將Q開關(guān)插入激光腔中(激光功率設(shè)定為額定100瓦特)。打開水冷卻，關(guān)斷 RF。2.接通RF且對準Q開關(guān)以實現(xiàn)最優(yōu)Q開關(guān)控制性能。此確保所測試的每一 Q開 關(guān)定位在激光中，如其在客戶應(yīng)用中一樣。3.切斷RF以允許Q開關(guān)冷卻2分鐘。4.將激光功率調(diào)節(jié)為100W。此將為參考功率(Pref)。5.接通RF功率。由于Q開關(guān)的作用，激光器將處于停止狀態(tài)(無輸出功率)。使 激光器保持在此情形5分鐘。6.切斷到Q開關(guān)的RF。7.監(jiān)視激光器CW功率輸出并每隔5秒鐘進行記錄，直到近似1分鐘的總消逝時間 (或如果激光器還未恢復(fù)到全功率則為更長時間)。8.繪制比率(所測量的激光器功率/參考功率)對時間的曲線圖。9.比較所測試的包含根據(jù)本發(fā)明實施例的內(nèi)澆鑄裝置的四種裝置的性能。關(guān)于結(jié)果的論述現(xiàn)在參考圖6，首先闡述到Q開關(guān)的RF功率致使Q開關(guān)光學(xué)元件熱變形，從而導(dǎo)致 激光器輸出功率的減少。切斷RF功率，所述Q開關(guān)通過冷卻回路冷卻且相關(guān)聯(lián)損失消失。當RF接通一段時間時，在Q開關(guān)中建立溫度梯度，其降低激光器的性能，從而導(dǎo)致更低功率 輸出。當RF切斷時，激光器突然處于CW模式且可相對時間測量激光器輸出。在圖6中顯 示激光器性能的恢復(fù)速率是對冷卻的有效程度的測量，在0時間處(Q開關(guān)處于最熱)，對于 根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)澆鑄冷卻裝置及標準鋁裝置來說激光器性能最好。從恢復(fù)時間點來看，所 述內(nèi)澆鑄及標準鋁裝置表現(xiàn)極類似。然而，如上文所述，包括鋁的冷卻裝置的常見問題是冷 卻通道中由鋁與水及與可能存在于水系統(tǒng)中的其它金屬的交互作用所致的腐蝕(氧化)的 襲擊。發(fā)現(xiàn)不銹鋼及使用塑料材料來實現(xiàn)耐蝕的裝置均表現(xiàn)不佳。
應(yīng)了解，盡管已結(jié)合本發(fā)明的具體實施例描述了本發(fā)明，但前述說明及隨后的實 例旨在說明而并非限制本發(fā)明的范圍。與本發(fā)明相關(guān)的所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了本發(fā)明 范圍內(nèi)的其它方面、優(yōu)點及修改。
權(quán)利要求
一種耐蝕流體冷卻式聲光(AO)裝置，其包括AO交互作用介質(zhì)及附加到所述AO介質(zhì)的壓電轉(zhuǎn)換器，及冷卻布置，其熱耦合到所述AO介質(zhì)，所述冷卻布置包括第一材料及至少一個冷卻管道，所述至少一個冷卻管道熱接觸所述第一材料、由第二不同材料形成且具有耦合到其的入口及出口，所述管道提供通道，所述通道具有用于使冷卻劑流體流動通過的內(nèi)表面，其中所述管道包含位于所述內(nèi)表面的其整個區(qū)域上方的連續(xù)耐蝕材料層，其中所述第一材料提供與所述耐蝕材料相比更接近所述AO介質(zhì)的比聲阻抗的比聲阻抗，以及在25C下為至少75W/m·K的堆積導(dǎo)熱率。
2.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述冷卻布置安置于所述AO介質(zhì)的相對側(cè)上。
3.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述第一材料與所述AO介質(zhì)之間的比聲阻抗在 50%以內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述耐蝕材料包括不銹鋼且所述第一材料包括鋁或鋁合金。
5.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其進一步包括所述第一材料與所述耐蝕材料之間的薄氧化物層。
6.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述耐蝕層的厚度為至少0.Imm厚。
7.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述冷卻管道為由所述第一材料圍繞且與所述第 一材料物理接觸的整體管道，所述冷卻管道的末端處除外。
8.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述管道小于所述冷卻布置的總質(zhì)量的10%。
9.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述管道完全由所述耐蝕材料形成。
10.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述冷卻布置包括在所述AO介質(zhì)的至少一個側(cè) 上與所述AO介質(zhì)接觸的一層所述第一材料，及在所述層的第一材料上其中形成有所述通 道中的至少一者的一層所述第二材料，其中所述第二材料包括所述耐蝕材料。
11.如權(quán)利要求10所述的AO裝置，其中所述冷卻布置包括在所述AO介質(zhì)的相對側(cè)上 的具有所述第一及所述第二層的夾層布置。
12.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述冷卻布置包括具有至少一個所形成通道接 納區(qū)的所述第一材料的物件，所述通道完全由所述耐蝕材料形成，其中所述通道受壓而與 所述通道接納區(qū)接觸以實現(xiàn)所述通道與所述物件之間的熱接觸。
13.如權(quán)利要求1所述的AO裝置，其中所述裝置包括Q開關(guān)、調(diào)制器、移頻器、聲光可調(diào) 諧濾波器(AOTF)或偏轉(zhuǎn)器。
14.如權(quán)利要求13所述的AO裝置，其中所述AO裝置包括所述Q開關(guān)且所述系統(tǒng)包括 Q開關(guān)激光器，所述Q開關(guān)激光器進一步包括共振腔，所述共振腔包含隨著所述腔的高反射 后反射鏡及部分反射輸出耦合器以及固態(tài)激光器，其中所述Q開關(guān)在所述腔內(nèi)。
15.一種耐蝕流體冷卻式聲光(AO)裝置，其包括AO交互作用介質(zhì)及附加到所述AO介質(zhì)的壓電轉(zhuǎn)換器，及冷卻布置，其熱耦合到所述AO介質(zhì)，所述冷卻布置包括第一材料及至少一個冷卻管 道，所述至少一個冷卻管道熱接觸所述第一材料、由第二不同材料形成且具有耦合到其的 入口及出口，所述管道提供通道，所述通道具有用于使冷卻劑流體流動通過的內(nèi)表面，其中 所述管道包含位于所述內(nèi)表面的其整個區(qū)域上方的連續(xù)耐蝕材料層，其中所述管道完全由所述耐蝕材料形成，所述第一材料提供與所述耐蝕材料相比更接 近所述AO介質(zhì)的比聲阻抗的比聲阻抗、在25C下為至少75W/m*K的堆積導(dǎo)熱率，且所述第 一材料與所述AO介質(zhì)之間的比聲阻抗匹配在+/-50%的范圍內(nèi)。
16.如權(quán)利要求15所述的AO裝置，其中所述管道小于所述冷卻布置的總質(zhì)量的10%。
17.如權(quán)利要求15所述的AO裝置，其中所述耐蝕材料包括不銹鋼且所述第一材料包括 鋁或鋁合金。
18.如權(quán)利要求15所述的AO裝置，其中所述冷卻布置安置于所述AO介質(zhì)的相對側(cè)上。
19.一種對聲光(AO)裝置進行冷卻的方法，所述聲光(AO)裝置包括AO交互作用介質(zhì) 及附加到所述AO介質(zhì)的壓電轉(zhuǎn)換器，所述方法包括將冷卻布置熱耦合到所述AO介質(zhì)，所述冷卻布置包括第一材料及至少一個冷卻管道， 所述至少一個冷卻管道熱接觸所述第一材料、由第二不同材料形成且具有耦合到其的入口 及出口，所述管道提供通道，所述通道具有用于使冷卻劑流體流動通過的內(nèi)表面，其中所述 管道包含位于所述內(nèi)表面的其整個區(qū)域上方的連續(xù)耐蝕材料層，其中所述第一材料提供與 所述耐蝕材料相比更接近所述AO介質(zhì)的比聲阻抗的比聲阻抗，及在25C下為至少75W/m ·Κ 的堆積導(dǎo)熱率，及在所述裝置的操作期間使冷卻劑流動通過所述通道。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中將所述冷卻布置安置于所述AO介質(zhì)的相對側(cè)上。 全文摘要
一種耐蝕流體冷卻式聲光AO裝置(300)包含AO交互作用介質(zhì)(301)及附加到所述AO介質(zhì)(301)的壓電轉(zhuǎn)換器(315)。冷卻布置熱耦合到所述AO介質(zhì)且包含第一材料及至少一個冷卻管道，所述至少一個冷卻管道在所述第一材料內(nèi)熱接觸、由第二不同材料形成且具有耦合到其的入口(流入，冷卻劑流入)及出口(流出，冷卻劑流出)。所述管道提供通道，所述通道具有用于使冷卻劑流體流動通過的內(nèi)表面，其中所述管道包含位于所述內(nèi)表面的其整個區(qū)域上方的連續(xù)耐蝕材料層。所述第一材料提供與所述耐蝕材料相比更接近所述AO介質(zhì)的比聲阻抗的比聲阻抗，以及在25C下為至少75W/m-K的堆積導(dǎo)熱率。
文檔編號G02F1/11GK101896864SQ200880120909
公開日2010年11月24日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月12日
發(fā)明者邁克爾·德雷珀 申請人:古奇及豪斯格公共有限公司