一种高功率固体激光器热管理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高功率固体激光器热管理系统。该系统包括：依次连接的第一冷却腔、第一充液腔、第二充液腔和第二冷却腔；其中，第一制冷单元、第一冷却腔、第一充液腔与第二制冷单元、第二冷却腔、第二充液腔为以激光增益介质为中心轴的对称结构，对称结构任意一侧的充液腔内填充有液态金属，激光增益介质的热量通过热传导传递给液态金属；冷却腔内填充有制冷工质，制冷工质在冷却腔内发生相变以吸收通过液态金属传导至冷却腔内的热量；制冷单元将发生相变的制冷工质冷却到沸点以下并再次进入冷却腔中。本发明专利技术消除了传统焊接工艺中焊料与增益介质热膨胀系数不匹配的问题，而且可以最大程度地将激光增益介质的热量散失到外界环境中。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率固体激光器热管理系统
本专利技术涉及电子器件领域，特别涉及一种高功率固体激光器热管理系统。
技术介绍
高功率固体激光器系统中，激光增益介质吸收的泵浦光绝大部分转换为废热沉积在增益介质内部，导致增益介质温度升高。由于外部冷却以及泵浦光高斯分布的特点，增益介质内部存在较大的温度梯度，与之对应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。世界范围内，固体激光器广泛采用的冷却方式为通过焊接方式将增益介质与热沉焊接为一体，再通过制冷设备提供温度较低的去离子水以强制对流的方式带走激光器产生的热量。该方式中始终无法克服的问题在于焊接需采用特定焊料，而焊料的热膨胀系数无法与增益介质完全匹配，且焊接的接触热阻远远超过可接受的范围，因此必须采用新型热界面材料和热封装工艺以及更高效的散热方式来满足激光器冷却的需要。
技术实现思路
为了满足激光器冷却的需求，本专利技术提供了一种高功率固体激光器热管理系统。本专利技术提供的一种高功率固体激光器热管理系统，包括：依次连接的第一冷却腔、第一充液腔、第二充液腔和第二冷却腔；所述第一冷却腔与所述第一充液腔共用腔壁A，所述第一充液腔与所述第二充液腔共用腔壁B，所述第二充液腔与所述第二冷却腔共用腔壁C，其中，所述第一制冷单元、第一冷却腔、第一充液腔与所述第二制冷单元、第二冷却腔、第二充液腔为以腔壁B为中心轴的对称结构，所述腔壁B为激光增益介质；所述对称结构任意一侧的充液腔内填充有液态金属，所述激光增益介质的热量通过热传导传递给所述液态金属；所述液态金属将吸收的热量通过所述充液腔与所述冷却腔的接触面传递给所述冷却腔；所述冷却腔内填充有制冷工质，所述制冷工质在所述冷却腔内发生相变以吸收通过所述液态金属传导至所述冷却腔内的热量；所述制冷单元将发生相变的制冷工质冷却到沸点以下并再次进入冷却腔中，以使所述制冷工质处于稳定流动状态并且可循环使用。本专利技术有益效果如下：本专利技术实施例利用液态金属充当激光增益介质和热沉的热界面，增大了热界面的导热能力，同时消除了传统焊接工艺中焊料与增益介质热膨胀系数不匹配的问题，而且可以最大程度地将激光增益介质的热量散失到外界环境中，有效降低激光增益介质温度、减小激光增益介质因温度不均匀而引起的热应力形变，提高激光光束质量以及输出功率。附图说明图1是本专利技术实施例的高功率固体激光器热管理系统的剖视图；图2是本专利技术实施例中激光增益介质的俯视图；其中，1、第一制冷单元；2、第一冷却腔；3、第一充液腔；4、第二充液腔；5、第二冷却腔；6、第二制冷单元；7、金属多孔介质；8、金属丝弹簧；9、激光增益介质。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。为了满足激光器冷却的需求，本专利技术提供了一种高功率固体激光器热管理系统，以下结合附图以及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术。根据本专利技术的实施例，提供了一种高功率固体激光器热管理系统，图1是本专利技术实施例的高功率固体激光器热管理系统的剖视图，如图1所示，根据本专利技术实施例的高功率固体激光器热管理系统包括：依次连接的第一制冷单元1、第一冷却腔2、第一充液腔3、第二充液腔4、第二冷却腔5及第二制冷单元6，以下对本专利技术实施例的各个模块进行详细的说明。具体地，所述第一冷却腔2与所述第一充液腔3共用腔壁A，所述第一充液腔3与所述第二充液腔4共用腔壁B，所述第二充液腔5与所述第二冷却腔5共用腔壁C，其中，所述第一制冷单元1、第一冷却腔2、第一充液腔3与所述第二制冷单元6、第二冷却腔5、第二充液腔4为以腔壁B为中心轴的对称结构，所述腔壁B为激光增益介质；所述对称结构任意一侧的充液腔内填充有液态金属，所述激光增益介质一面的热量通过热传导传递给所述液态金属；所述液态金属将吸收的热量通过所述充液腔与所述冷却腔的接触面传递给所述冷却腔；所述冷却腔内填充有制冷工质，所述制冷工质在所述冷却腔内发生相变以吸收通过所述液态金属传导至所述冷却腔内的热量；所述制冷单元将发生相变的制冷工质冷却到沸点以下并再次进入冷却腔中，以使所述制冷工质处于稳定流动状态并且可循环使用。激光增益介质位于两个完全一样的冷却结构之间，保证激光增益介质两侧面散热的均匀一致。液态金属填充在充液腔中充当激光增益介质与铜热沉之间的热界面。在本专利技术中，由第一冷却腔2、第一充液腔3、第二充液腔4、及第二冷却腔5组成的结构称为热沉，具体的，所述热沉可以为铜热沉。即所述第一充液腔3内填充有液态金属，所述激光增益介质一面的热量通过热传导传递给所述液态金属；所述液态金属将吸收的热量通过所述腔壁A传递给所述第一冷却腔2；所述第一冷却腔2内填充有制冷工质，所述制冷工质在所述第一冷却腔2内发生相变以吸收通过所述液态金属传导至所述第一冷却腔2内的热量；所述第一制冷单元1将发生相变的制冷工质冷却到沸点以下并再次进入第一冷却腔2中，以使所述制冷工质处于稳定流动状态并且可循环使用；所述第二充液腔内4填充有所述液态金属，所述激光增益介质另一面的热量通过热传导传递给所述液态金属；所述液态金属将吸收的热量通过所述腔壁C传递给所述第二冷却腔5；所述第二冷却腔5内填充有所述制冷工质，所述制冷工质在所述第二冷却腔5内发生相变以吸收通过所述液态金属传导至所述第二冷却腔5内的热量；所述第二制冷单元6将发生相变的制冷工质冷却到沸点以下并再次进入第二冷却腔5中，以使所述制冷工质处于稳定流动状态并且可循环使用。所述液态金属是一种常温下处于液态且具备高导热系数、良好导电能力的特殊材料。具体的，在本专利技术中所述液态金属(例如镓、镓铟合金等)的熔点为20～30℃，且不会与所述充液腔发生化学反应。具体的，在所述对称结构任意一侧的充液腔(包括第一充液腔和第二充液腔)的腔壁上设置抽真空孔和液态金属填充孔；通过抽真空孔将充液腔内抽成低真空，再通过液态金属填充孔将液态金属填充到充液腔中。具体的，所述对称结构任意一侧的充液腔内还包括悬浮在所述充液腔内，不与充液腔的腔壁相接触的金属多孔介质。更加具体的，所述金属多孔介质通过若干根金属丝弹簧与在所述充液腔的腔壁连接，即所述金属丝弹簧的一端焊接在所述金属多孔介质上，另一端焊接在所述充液腔的腔壁上，从而使金属多孔介质悬浮在充液腔中而不与充液腔的侧壁和底面接触。更加具体的，所述金属多孔介质可以为一整块多孔材料，也可以为多块小体积多孔材料，并通过金属丝互相连接为一个整体。具体的，所述金属多孔介质可以为金属泡沫、金属纤维、金属编织物等具备高导热系数、大孔隙率的多孔介质。更加具体的，所述金属丝弹簧的直径为纳米级或者微米级(10微米以下)。具体的，所述制冷工质(例如R152a、R134a等)在制冷单元中的设计蒸发温度为15～20℃。具体的，所述激光增益介质的几何构型为板条状或碟片状。图2是本专利技术实施例中激光增益介质的俯视图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率固体激光器热管理系统，其特征在于，包括：依次连接的第一制冷单元、第一冷却腔、第一充液腔、第二充液腔、第二冷却腔及第二制冷单元；所述第一冷却腔与所述第一充液腔共用腔壁A，所述第一充液腔与所述第二充液腔共用腔壁B，所述第二充液腔与所述第二冷却腔共用腔壁C，其中，所述第一制冷单元、第一冷却腔、第一充液腔与所述第二制冷单元、第二冷却腔、第二充液腔为以腔壁B为中心轴的对称结构，所述腔壁B为激光增益介质；所述对称结构任意一侧的充液腔内填充有液态金属，所述激光增益介质的热量通过热传导传递给所述液态金属；所述液态金属将吸收的热量通过所述充液腔与所述冷却腔的接触面传递给所述冷却腔；所述冷却腔内填充有制冷工质，所述制冷工质在所述冷却腔内发生相变以吸收通过所述液态金属传导至所述冷却腔内的热量；所述制冷单元将发生相变的制冷工质冷却到沸点以下并再次进入冷却腔中，以使所述制冷工质处于稳定流动状态并且可循环使用。

【技术特征摘要】
1.一种高功率固体激光器热管理系统，其特征在于，包括：依次连接的第一制冷单元、第一冷却腔、第一充液腔、第二充液腔、第二冷却腔及第二制冷单元；所述第一冷却腔与所述第一充液腔共用腔壁A，所述第一充液腔与所述第二充液腔共用腔壁B，所述第二充液腔与所述第二冷却腔共用腔壁C，其中，所述第一制冷单元、第一冷却腔、第一充液腔与所述第二制冷单元、第二冷却腔、第二充液腔为以腔壁B为中心轴的对称结构，所述腔壁B为激光增益介质；所述对称结构任意一侧的充液腔内填充有液态金属，所述激光增益介质的热量通过热传导传递给所述液态金属；所述液态金属将吸收的热量通过所述充液腔与所述冷却腔的接触面传递给所述冷却腔；所述冷却腔内填充有制冷工质，所述制冷工质在所述冷却腔内发生相变以吸收通过所述液态金属传导至所述冷却腔内的热量；所述制冷单元将发生相变的制冷工质冷却到沸点以下并再次进入冷却腔中，以使所述制冷工质处于稳定流动状态并且可循环使用。2.如权利要求1所述的高功率固体激光器热管理系统，其特征在于，所述对称结构任意一侧的充液腔内还包括悬浮在所述充液腔内，不与充液腔的腔壁相接触的金属多孔介质。3.如权利要求2所述的高功率固体激光器热管理系统，其特征在于，所述金属多孔介质通过若干根金属丝弹簧与在所述充液腔的腔壁连接。4.如权利要求3所述的高功率固体激光器热管理系统，其特征在于，所述金属丝弹簧的直径为纳米级或者微米级。5.如权利要求1所述的高功率固...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕坤鹏，唐晓军，刘磊，王超，杨雪，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十一研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11