一種高功率固體激光器的散熱裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種高功率固體激光器的散熱裝置，包括：熱沉、分流式熱管和冷卻風(fēng)扇，其中，熱沉的一側(cè)與高功率固體激光器的增益介質(zhì)緊密接觸，熱沉的另一側(cè)設(shè)有與分流式熱管蒸發(fā)段形狀吻合的凹槽；當(dāng)分流式熱管插入熱沉所述凹槽中時(shí)，分流式熱管的冷凝段位于空氣中，并由冷卻風(fēng)扇加速所述冷凝段的散熱。本發(fā)明可以有效降低增益介質(zhì)溫度、減小增益介質(zhì)因溫度不均勻而引起的熱應(yīng)力形變，提高激光光束質(zhì)量以及輸出功率。同時(shí)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中散熱方式可能導(dǎo)致的漏水、體積大以及管路復(fù)雜等問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高功率固體激光器的散熱裝置。 一種高功率固體激光器的散熱裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 高功率固體激光器具有效率高、光束質(zhì)量好、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、科 學(xué)研究和國(guó)家安全方面有著重要的應(yīng)用。
[0003] 固體激光器輸入總能量中只有少部分轉(zhuǎn)換為激光輸出，其余絕大部分轉(zhuǎn)換成增益 介質(zhì)的廢熱。固體激光器在工作過(guò)程中，由于泵浦光場(chǎng)分布不均勻以及外部冷卻不均勻，在 增益介質(zhì)內(nèi)部形成不均勻的溫度場(chǎng)，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，并導(dǎo)致晶體的光學(xué)特性發(fā)生一定變 化，進(jìn)而引起應(yīng)力雙折射、熱透鏡效應(yīng)和退偏效應(yīng)，甚至斷裂，嚴(yán)重影響了激光器諧振腔的 穩(wěn)定性、激光輸出功率、輸出光束質(zhì)量、電光轉(zhuǎn)換效率及激光器壽命。隨著激光器功率水平 不斷提高和裝置尺寸日益小型化，如何在有限空間內(nèi)及時(shí)消除功率耗散所轉(zhuǎn)化的廢熱，進(jìn) 行增益介質(zhì)的有效冷卻與溫度控制，是大功率全固態(tài)激光器必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0004] 現(xiàn)階段固體激光器廣泛采用的冷卻方式為通過(guò)制冷設(shè)備提供溫度較低的去離子 水以實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)的對(duì)流冷卻，該方式簡(jiǎn)單易操控，但是存在漏水以及占用體積大、管路復(fù) 雜、制冷量與固體激光器日益增大的功率不匹配等問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種高功率固體激光器的散熱裝置，克服現(xiàn)有 技術(shù)中散熱方式可能導(dǎo)致的漏水、體積大以及管路復(fù)雜的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，所述高功率固體激光器的散熱裝置，包括：熱沉、分流 式熱管和冷卻風(fēng)扇，其中，熱沉的一側(cè)與高功率固體激光器的增益介質(zhì)緊密接觸，熱沉的另 一側(cè)設(shè)有與分流式熱管蒸發(fā)段形狀吻合的凹槽；
[0007] 當(dāng)分流式熱管插入熱沉所述凹槽中時(shí)，分流式熱管的冷凝段位于空氣中，并由冷 卻風(fēng)扇加速所述冷凝段的散熱。
[0008] 進(jìn)一步的，所述散熱裝置，還包括：相變微膠囊板；
[0009] 所述熱沉的另一側(cè)還設(shè)有空腔，用于匹配放置相變微膠囊板；
[0010] 相變微膠囊板中設(shè)有供分流式熱管穿過(guò)的孔，組成相變微膠囊板的材料緊密環(huán)繞 分流式熱管。
[0011] 進(jìn)一步的，組成相變微膠囊板的材料，包括：相變微膠囊、粘結(jié)劑以及摻雜的導(dǎo)熱 系數(shù)在200?6000WAmK)的材料顆粒，所述摻雜的濃度分布與所述增益介質(zhì)的熱量分布相 適應(yīng)。
[0012] 進(jìn)一步的，所述熱沉的另一側(cè)設(shè)有端蓋，用于固定所述分流式熱管并防止相變微 膠囊破裂導(dǎo)致液體從熱沉中溢出。
[0013] 進(jìn)一步的，所述分流式熱管，包括：內(nèi)置管和外置管，內(nèi)置管和外置管均為一端開(kāi) 口、另一端封閉的空心管，其中，內(nèi)置管的封閉端一側(cè)為作為分流式熱管的蒸發(fā)段，內(nèi)置管 蒸發(fā)段附近設(shè)有若干個(gè)液體回流孔；外置管的封閉端一側(cè)作為分流式熱管的冷凝段，內(nèi)置 管在蒸發(fā)段以上部分經(jīng)外置管的開(kāi)口端套入外置管中；外置管的開(kāi)口端通過(guò)焊接固定在內(nèi) 置管的外壁面上；分流式熱管內(nèi)部抽真空且注入循環(huán)工作介質(zhì)，當(dāng)位于內(nèi)置管封閉端的工 作介質(zhì)被蒸發(fā)到內(nèi)置管開(kāi)口端后進(jìn)入外置管中，經(jīng)冷卻凝結(jié)為液體沿著外置管內(nèi)壁面流下 來(lái)，再通過(guò)內(nèi)置管上的液體回流孔回流到內(nèi)置管的封閉端。
[0014] 進(jìn)一步的，工作介質(zhì)為經(jīng)過(guò)凈化處理的水或者其他沸點(diǎn)介于60°C?100°C的液 體；
[0015] 所述外置管內(nèi)壁面、液體回流孔中以及液體回流孔以下的內(nèi)置管內(nèi)壁面上均設(shè)有 吸液芯。
[0016] 進(jìn)一步的，所述吸液芯包括：金屬絲網(wǎng)吸液芯或者金屬顆粒燒結(jié)吸液芯。
[0017] 進(jìn)一步的，當(dāng)所述散熱裝置中的分流式熱管為多個(gè)時(shí)，各分流式熱管以順序排列 或者錯(cuò)開(kāi)排列的方式分布于熱沉中。
[0018] 進(jìn)一步的，分流式熱管的蒸發(fā)段與熱沉的接觸地方涂有導(dǎo)熱硅脂。
[0019] 進(jìn)一步的，熱沉的一側(cè)通過(guò)低接觸熱阻焊接的方式與高功率固體激光器的增益介 質(zhì)緊密接觸。
[0020] 采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明所述固體激光器的散熱裝置，至少具有下列優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 1)分流式熱管較高的導(dǎo)熱能力可以迅速將增益介質(zhì)傳遞給熱沉的熱量帶到外界 環(huán)境中，未被及時(shí)散發(fā)出去的熱量被相變微膠囊吸收；
[0022] 2)相變微膠囊在相變過(guò)程中溫度保持不變的特性有利于增益介質(zhì)自身溫度保持 均勻；同時(shí)相變微膠囊平板中不均勻分布的高導(dǎo)熱系數(shù)材料顆?？梢约涌煸鲆娼橘|(zhì)中熱源 集中部位的熱量傳遞，進(jìn)一步提高增益介質(zhì)自身的溫度均勻性；
[0023] 3)分流式熱管中，外置管為冷凝液的回流提供了單獨(dú)的通道，減小了內(nèi)置管內(nèi)部 蒸汽上升的阻力，提高了內(nèi)置管的熱量傳遞效率；同時(shí)抽真空處理以及吸液芯的布設(shè)，可以 使該分流式熱管安裝位置不受限制。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的高功率固體激光器的散熱裝置的截面示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例的熱沉的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例的分流式熱管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖 及較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如后。
[0028] 本發(fā)明第一實(shí)施例，一種固體激光器的散熱裝置，如圖1所示，包括以下組成部 分：熱沉2、分流式熱管3、相變微膠囊板4和冷卻風(fēng)扇5,其中，熱沉2可以為銅熱沉。熱沉 2的一側(cè)通過(guò)低接觸熱阻焊接的方式與高功率固體激光器的增益介質(zhì)1緊密接觸，該低接 觸熱阻焊接的方式可以是蒸銦的方式等。
[0029] 如圖2所示，熱沉2的另一側(cè)設(shè)有端蓋6、與分流式熱管3蒸發(fā)段形狀吻合的凹槽 7、以及用于匹配放置相變微膠囊板空腔8。端蓋6用于固定分流式熱管3并防止相變微膠 囊破裂導(dǎo)致液體從熱沉中溢出。
[0030] 相變微膠囊板4中設(shè)有供分流式熱管3穿過(guò)的孔，組成相變微膠囊板4的材料緊 密環(huán)繞分流式熱管3。
[0031] 當(dāng)分流式熱管3穿過(guò)相變微膠囊板4插入熱沉2上的所述凹槽中時(shí)，分流式熱管 3的冷凝段位于空氣中，并由冷卻風(fēng)扇5加速所述冷凝段的散熱。
[0032] 具體的，組成相變微膠囊板4的材料，包括：相變微膠囊、粘結(jié)劑以及摻雜的導(dǎo)熱 系數(shù)在200?6000WAmK)的材料顆粒，所述摻雜的濃度分布與所述增益介質(zhì)的熱量分布相 適應(yīng)。該材料顆粒可以為銅粉或者金剛石、石墨烯、碳納米管等高導(dǎo)熱系數(shù)材料。通常固體 激光器的增益介質(zhì)1的兩端溫度較高，而中間溫度較低，因此，可以將位于增益介質(zhì)1兩端 附近的分流式熱管3周?chē)南嘧兾⒛z囊板4中摻雜的材料顆粒的濃度提高，而將位于增益 介質(zhì)1中間附近的分流式熱管3周?chē)南嘧兾⒛z囊板4中摻雜的材料顆粒的濃度降低，以 使在各分流式熱管3并排的方向上即增益介質(zhì)1的溫度盡快均衡。
[0033] 如圖2所不，分流式熱管3包括：內(nèi)置管30和外置管31，內(nèi)置管30和外置管31 均為一端開(kāi)口、另一端封閉的空心管，其中，內(nèi)置管30與外置管之間形成回流腔32,內(nèi)置管 30的封閉端一側(cè)作為分流式熱管的蒸發(fā)段；外置管31的封閉端一側(cè)作為分流式熱管的冷 凝段，內(nèi)置管31在蒸發(fā)段以上部分經(jīng)外置管31的開(kāi)口端套入外置管31中；內(nèi)置管30蒸發(fā) 段附近設(shè)有若干個(gè)液體回流孔33 ;外置管31開(kāi)口端通過(guò)焊接固定在內(nèi)置管30外壁面上， 分流式熱管3內(nèi)部抽真空且注入循環(huán)工作介質(zhì)，該工作介質(zhì)可以為經(jīng)過(guò)凈化處理的水或者 其他沸點(diǎn)介于60°C?100°C的液體。
[0034] 當(dāng)位于內(nèi)置管30封閉端的工作介質(zhì)被蒸發(fā)到內(nèi)置管30開(kāi)口端后進(jìn)入外置管31 中，經(jīng)冷卻凝結(jié)為液體沿著外置管31內(nèi)壁面流下來(lái)，再通過(guò)內(nèi)置管30上的液體回流孔33 回流到內(nèi)置管30的封閉端。
[0035] 優(yōu)選的，外置管31的內(nèi)壁面、液體回流孔33中以及液體回流孔33以下的內(nèi)置管 30內(nèi)壁面上均設(shè)有吸液芯。該吸液芯可以選用：金屬絲網(wǎng)吸液芯或者金屬顆粒燒結(jié)吸液 〇
[0036] 優(yōu)選的，當(dāng)所述散熱裝置中的分流式熱管為多個(gè)時(shí)，各分流式熱管以順序排列或 者錯(cuò)開(kāi)排列的方式分布于熱沉中。
[0037] 優(yōu)選的，分流式熱管的蒸發(fā)段與熱沉的接觸地方可以涂有導(dǎo)熱硅脂，用于減少接 觸熱阻。
[0038] 在本實(shí)施例中，如圖1所示，高功率固體激光器的增益介質(zhì)1位于兩個(gè)完全一樣的 所述散熱裝置之間，保證增益介質(zhì)兩側(cè)面散熱的均勻一致。相變微膠囊板4填充于熱沉2的 空腔中，分流式熱管3貫穿相變微膠囊板4,其蒸發(fā)端嵌套在熱沉2與增益介質(zhì)1接觸的一 端，冷凝段位于空氣中，并在冷凝段設(shè)置冷卻風(fēng)扇5,依靠空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱將冷凝段的熱 量帶走。在高功率固體激光器工作過(guò)程中，增益介質(zhì)1中的熱量通過(guò)擴(kuò)散焊接層傳導(dǎo)到熱 沉2中，嵌在熱沉2內(nèi)部的內(nèi)置管30內(nèi)的工作介質(zhì)在蒸發(fā)端發(fā)生蒸發(fā)或者沸騰吸收熱量， 蒸汽沿著內(nèi)置管30的軸向到達(dá)內(nèi)置管30頂部后進(jìn)入到外置管31中，并在外置管31封閉 端區(qū)域冷凝為液態(tài)，冷凝液依靠外置管31內(nèi)壁面附著的金屬絲網(wǎng)吸液芯或者金屬顆粒燒 結(jié)吸液芯提供的毛細(xì)力，使冷凝成液態(tài)的工作介質(zhì)又回流到外置管31底部，并由液體回流 孔33進(jìn)入內(nèi)置管30的蒸發(fā)段，同時(shí)內(nèi)置管30的蒸發(fā)段內(nèi)壁面上的吸液芯使冷凝液均勻分 布于蒸發(fā)段，并進(jìn)行下一次循環(huán)；如此循環(huán)便可實(shí)現(xiàn)將分流式熱管3底部的發(fā)熱器件產(chǎn)生 熱量傳導(dǎo)到分流式熱管3頂部，并通過(guò)冷凝段的翅片和風(fēng)扇將熱量散發(fā)到外界，避免熱量 在發(fā)熱部位堆積。
[0039] 相變微膠囊4發(fā)生相變時(shí)可以吸收較大的潛熱，進(jìn)一步降低增益介質(zhì)1的溫度，相 變微膠囊4中摻雜的濃度不均勻的高導(dǎo)熱系數(shù)固體顆?？梢约涌煸鲆娼橘|(zhì)1內(nèi)部熱量集中 部位的熱量傳遞，調(diào)整其自身的熱量分布，提高增益介質(zhì)1的溫度均勻性。在本領(lǐng)域中，相 變材料屬于能源材料的范疇，其在物態(tài)變化時(shí)可吸收或放出大量潛熱的特性使其在工業(yè)節(jié) 能和新能源方面的應(yīng)用日益受到重視。同時(shí)，其物態(tài)變化時(shí)溫度保持不變的特性也為周期 性工作的固體激光器的溫控提供了一種高可靠性和適用性的控溫方案。相變微膠囊作為一 種現(xiàn)有的新型相變材料，在相變前后均能維持原來(lái)的形態(tài)，同時(shí)在制作成相變微膠囊板的 過(guò)程中可以添加高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬顆粒來(lái)彌補(bǔ)相變材料本身導(dǎo)熱系數(shù)較小的缺陷，因而具 有廣闊的應(yīng)用前景。
[0040] 本發(fā)明第二實(shí)施例，一種高功率固體激光器的散熱裝置，本實(shí)施例的所述散熱裝 置與第一實(shí)施例大致相同，區(qū)別僅在于，本實(shí)施例的所述散熱裝置包括以下組成部分：熱 沉、分流式熱管和冷卻風(fēng)扇，而不包含相變微膠囊板。
[0041] 其中，熱沉的一側(cè)與高功率固體激光器的增益介質(zhì)緊密接觸，熱沉的另一側(cè)設(shè)有 與分流式熱管蒸發(fā)段形狀吻合的凹槽；
[0042] 當(dāng)分流式熱管插入熱沉所述凹槽中時(shí)，分流式熱管的冷凝段位于空氣中，并由冷 卻風(fēng)扇加速所述冷凝段的散熱。
[0043] 本實(shí)施例通過(guò)分流式熱管的設(shè)計(jì)可以對(duì)高功率固體激光器進(jìn)行高效冷卻，但是由 于不引入相變微膠囊板，所以對(duì)于熱沉中熱量的均衡的實(shí)現(xiàn)效果就不如第一實(shí)施例了。 [0044] 采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明所述高功率固體激光器的散熱裝置，至少具有下列優(yōu) 占·
[0045] 1)分流式熱管較高的導(dǎo)熱能力可以迅速將增益介質(zhì)傳遞給熱沉的熱量帶到外界 環(huán)境中，未被及時(shí)散發(fā)出去的熱量被相變微膠囊吸收；
[0046] 2)相變微膠囊在相變過(guò)程中溫度保持不變的特性有利于增益介質(zhì)自身溫度保持 均勻；同時(shí)相變微膠囊平板中不均勻分布的高導(dǎo)熱系數(shù)材料顆粒可以加快增益介質(zhì)中熱源 集中部位的熱量傳遞，進(jìn)一步提高增益介質(zhì)自身的溫度均勻性；
[0047] 3)分流式熱管中，外置管為冷凝液的回流提供了單獨(dú)的通道，減小了內(nèi)置管內(nèi)部 蒸汽上升的阻力，提高了內(nèi)置管的熱量傳遞效率；同時(shí)抽真空處理以及吸液芯的布設(shè)，可以 使該分流式熱管安裝位置不受限制。
[0048] 4)可以有效降低增益介質(zhì)溫度、減小增益介質(zhì)因溫度不均勻而引起的熱應(yīng)力形 變，提高激光光束質(zhì)量以及輸出功率。
[0049] 通過(guò)【具體實(shí)施方式】的說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)可對(duì)本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及 功效得以更加深入且具體的了解，然而所附圖示僅是提供參考與說(shuō)明之用，并非用來(lái)對(duì)本 發(fā)明加以限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，熱沉、分流式熱管和冷卻風(fēng)扇，其 中，熱沉的一側(cè)與所述固體激光器的增益介質(zhì)緊密接觸，熱沉的另一側(cè)設(shè)有與分流式熱管 蒸發(fā)段形狀吻合的凹槽； 當(dāng)分流式熱管插入熱沉所述凹槽中時(shí)，分流式熱管的冷凝段位于空氣中，并由冷卻風(fēng) 扇加速所述冷凝段的散熱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，所述散熱裝置， 還包括：相變微膠囊板； 所述熱沉的另一側(cè)還設(shè)有空腔，用于匹配放置相變微膠囊板； 相變微膠囊板中設(shè)有供分流式熱管穿過(guò)的孔，組成相變微膠囊板的材料緊密環(huán)繞分流 式熱管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，組成相變微膠 囊板的材料，包括：相變微膠囊、粘結(jié)劑以及摻雜的導(dǎo)熱系數(shù)在200?6000WAmK)的材料顆 粒，所述摻雜的濃度分布與所述增益介質(zhì)的熱量分布相適應(yīng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，所述熱沉的另 一側(cè)設(shè)有端蓋，用于固定所述分流式熱管并防止相變微膠囊破裂導(dǎo)致液體從熱沉中溢出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，所述分流式熱 管，包括：內(nèi)置管和外置管，內(nèi)置管和外置管均為一端開(kāi)口、另一端封閉的空心管，其中，內(nèi) 置管的封閉端一側(cè)為作為分流式熱管的蒸發(fā)段，內(nèi)置管蒸發(fā)段附近設(shè)有若干個(gè)液體回流 孔；外置管的封閉端一側(cè)作為分流式熱管的冷凝段，內(nèi)置管在蒸發(fā)段以上部分經(jīng)外置管的 開(kāi)口端套入外置管中；外置管的開(kāi)口端通過(guò)焊接固定在內(nèi)置管的外壁面上；分流式熱管內(nèi) 部抽真空且注入循環(huán)工作介質(zhì)，當(dāng)位于內(nèi)置管封閉端的工作介質(zhì)被蒸發(fā)到內(nèi)置管開(kāi)口端后 進(jìn)入外置管中，經(jīng)冷卻凝結(jié)為液體沿著外置管內(nèi)壁面流下來(lái)，再通過(guò)內(nèi)置管上的液體回流 孔回流到內(nèi)置管的封閉端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，工作介質(zhì)為經(jīng) 過(guò)凈化處理的水或者其他沸點(diǎn)介于60°C?100°C的液體； 所述外置管內(nèi)壁面、液體回流孔中以及液體回流孔以下的內(nèi)置管內(nèi)壁面上均設(shè)有吸液 〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，所述吸液芯包 括：金屬絲網(wǎng)吸液芯或者金屬顆粒燒結(jié)吸液芯。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，當(dāng)所述散熱裝 置中的分流式熱管為多個(gè)時(shí)，各分流式熱管以順序排列或者錯(cuò)開(kāi)排列的方式分布于熱沉 中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，分流式熱管的 蒸發(fā)段與熱沉的接觸地方涂有導(dǎo)熱硅脂。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率固體激光器的散熱裝置，其特征在于，所述熱沉的一 側(cè)通過(guò)低接觸熱阻焊接的方式與所述固體激光器的增益介質(zhì)緊密接觸。
【文檔編號(hào)】H01S3/042GK104124605SQ201410312039
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】呂坤鵬, 劉剛, 唐曉軍, 劉磊, 趙鴻, 張大勇, 劉洋, 王文濤 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所