高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法技术

一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法，整个模块包括光栅结构层、光栅基板、微通道冷却层、导流层、密封板和冷却液进出口部分组成，首先利用高热导、低膨胀材料制备光栅基板、微通道冷却层和密封板，然后利用共晶焊料在真空焊炉中将所有部件焊接在一起并进行退火处理，随后对光栅基板再次抛光修正其面形，并最终在其表面完成合束光栅结构制备。本发明专利技术解决了传统的冷却方案因冷却模块和合束光栅相互独立而导致的整个光栅冷却模块装配复杂、体积大、重量重、冷却效果不理想的问题，十分有利于高功率光谱合束系统的小型化、轻量化。

【技术实现步骤摘要】
高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法
本专利技术涉及光谱合束技术中光谱合束光栅在高功率连续激光作用下的冷却领域，特别是一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法。
技术介绍
基于光谱合束技术(spectralbeam-combining,SBC)【在先技术1：C.Wirthet.al.,Opt.Lett,Vol.36,3118-3120,(2011)】的高能光谱合束激光在激光加工、激光武器等领域具有重要的应用价值。光谱合束光栅是该技术方案的核心关键元器件。然而，在激光照射下，合束光栅表面薄膜材料及基体材料的光吸收会导致光栅温度升高，由此产生的热应力和温度梯度会导致光栅表面热变形，特别是在万瓦级以上高功率激光长时间辐照下，合束光栅的温升会导致光栅结构损伤，使其失效。在此情况下，对光栅进行冷却是提升合束光栅抗激光损伤能力和合束系统输出功率的一种有效措施。常用的冷却方案主要包括：采用风扇对光栅基板吹风，通过空气对流降温；将光栅装配到半导体制冷(thermo-electriccooler,TEC)模块或是微通道热沉的冷端，以热传导方式进行降温。其中，风冷会引起光栅周围气流的扰动，导致衍射光束指向性抖动和波前恶化；半导体制冷具有制冷速度快、效率高、噪音小等优点，但是其结构较为复杂，为了实现高效制冷通常需要对TEC的热端设计水冷处理模块，对冷端还要采取相应的保温措施，另外，为了对温度进行控制还需要配备专用的TEC控制模块；微通道冷却热沉【在先技术2：CN1158549A,(2011)】具有换热系数大以及适合恶劣环境等突出优点，因此，在高功率半导体激光器层叠封装、高密度组装的电子设备冷却等领域获得了广泛的应用。然而，无论是采用TEC冷却方案还是微通道热沉冷却方案，由于冷却模块和合束光栅模块是相互独立的，当将二者机械装配到一起后导致整个光谱合束光栅模块结构较为复杂、体积和重量大，这不符合光谱合束系统小型化、轻量化要求。更糟糕的是，由于激光合束系统中使用的光栅尺寸在百毫米以上，为了保证面形光栅基板厚度往往需要几十个毫米，而已有的实验也表明合束光栅温升主要在光栅表面区域，在此情况下，如果直接采用微通道热沉对合束光栅进行冷却，因合束光栅基板厚度较大、基板与热沉表面接触不良、光栅基板热导率有限等原因导致散热效果并不理想。因此，研究一种集成化的、高效主动换热合束光栅结构在高功率光谱合束激光领域具有重要的应用价值。据我们所知，没有人给出这种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法，实现了合束光栅和微通道结构的高度集成化，而且制备过程中由于采用了再抛光面形修正工艺，可以采用相对较薄的光栅基板实现较好的面形，因此，这使得整个冷却模块一体化、重量轻、换热效率高，十分有利于高功率光谱合束系统的小型化、轻量化。本专利技术的技术解决方案如下：一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法，其特点在于，包括光栅结构层、光栅基板、微通道冷却层、共晶焊接层、导流层、密封板、冷却液入口和冷却液出口组成；所述光栅结构层通过光刻工艺制备在所述光栅基板的上表面，所述光栅基板的后表面与所述微通道冷却层通过所述共晶焊接层焊接在一起，所述微通道冷却层与所述密封板通过所述共晶焊接层焊接在一起，所述密封板开有所述冷却液入口和所述冷却液出口。所述光栅结构层为反射式，即入射光和衍射光在所述光栅结构层的同一侧。所述的光栅结构层工作方式为反射式。所述的光栅基板材料为石英、蓝宝石或碳化硅；所述的微通道冷却层材料为硅或碳化硅；所述的共晶焊接层材料为不同组份的金锡共晶焊料、金锗共晶焊料、金硅共晶焊料或银铜共晶焊料；所述的密封板材料为碳化硅、石英或氧化铝陶瓷。所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块及其制备方法，其特点在于，所述的制备方法包括以下步骤：①对所述光栅基板和所述密封板进行光学抛光加工，其中，所述光栅基板的焊接面要求平面度小于1微米，表面粗糙度小于1nm；所述高面型微通道密封部件的焊接面要求面形小于λ/10(λ＝0.6328微米)，表面粗糙度小于1nm；此外，还要在所述密封板上加工出所述的冷却液入口和冷却液出口；②在双面抛光的硅或碳化硅衬底其中一面加工出所述的微通道冷却层，微通道的宽度、深度及间隔根据具体的冷却要求设计；③将所述光栅基板、微通道冷却层和密封板的待焊接面依次镀镍、镀金进行金属化处理，然后利用所述的共晶焊接层在真空焊炉中将上述部件进行焊接集成并对其进行退火处理，释放高温焊接导致的应力；④对焊接集成后的所述光栅基板的上表面进行再次光学抛光加工，改善其面形、表面光洁和表面粗糙度等指标，使其满足所述光栅结构层的制备需求；⑤结合镀膜、涂胶、曝光、显影、刻蚀等光栅制备工艺最终完成所述光栅结构层的制备。本专利技术与现有技术相比较具有以下有益技术效果：1.本专利技术把合束光栅和微通道冷却层直接通过焊接封装集成，利用同一模块实现了光栅光谱合束和冷却双重功能。2.本专利技术通过采用高热导、低膨胀、高强度的共晶焊料进行焊接封装，并结合后续的再抛光面形修正工艺，在确保较薄光栅基板具有良好面形的同时，大大提升了基板的散热能力。3.本专利技术由于将微通道冷却层直接焊接于光栅基板背面，相比于传统的采用独立的微通道热沉或TEC冷却模块对光栅进行装配冷却方案，具有结构体积小、重量轻、使用方便、稳定性/可靠性高等突出优点，十分有利于高功率光谱合束激光系统的小型化和轻量化。附图说明图1是本专利技术高效主动换热光谱合束光栅集成化模块示意图图2是本专利技术高效主动换热光谱合束光栅集成化装置总体示意图。图3是本专利技术高效主动换热光谱合束光栅集成化模块与普通光谱合束光栅换热模块在相同冷却条件下，表面温度随吸收激光功率变化曲线。图中：1-冷水箱；2-循环水泵；3-密封板；4-导流层；5-第一共晶焊接层；6-微通道冷却层；7-光栅结构层；8-光栅基板；9-入射光；10-衍射光；11-第二共晶焊接层。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。请先参阅图1，图1是本专利技术高效主动换热光谱合束光栅集成化模块示意图，如图所示，一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，包括密封板3、导流层4、第一共晶焊接层5、微通道冷却层6、光栅基板8和第二共晶焊接层11；所述的光栅基板8的上表面具有光栅结构层7，该光栅基板8的后表面通过所述第一共晶焊接层5与所述微通道冷却层6相连，所述微通道冷却层6通过所述第二共晶焊接层11与所述导流层4相连，该导流层4与所述的密封板3相连，该密封板3开有冷却液入口和冷却液出口。所述的光栅结构层7通过光刻工艺制备在所述的光栅基板8的上表面，该光栅结构层7的工作方式为反射式，即入射光9和衍射光10在所述光栅结构层7的同一侧。所述的光栅基板8材料为石英、蓝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，包括密封板(3)、导流层(4)、第一共晶焊接层(5)、微通道冷却层(6)、光栅基板(8)和第二共晶焊接层(11)；/n所述的光栅基板(8)的上表面具有光栅结构层(7)，该光栅基板(8)的后表面通过所述第一共晶焊接层(5)与所述微通道冷却层(6)相连，所述微通道冷却层(6)通过所述第二共晶焊接层(11)与所述导流层(4)相连，该导流层(4)与所述的密封板(3)相连，该密封板(3)开有冷却液入口和冷却液出口。/n

【技术特征摘要】
20200120 CN 202010063734X1.一种高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，包括密封板(3)、导流层(4)、第一共晶焊接层(5)、微通道冷却层(6)、光栅基板(8)和第二共晶焊接层(11)；
所述的光栅基板(8)的上表面具有光栅结构层(7)，该光栅基板(8)的后表面通过所述第一共晶焊接层(5)与所述微通道冷却层(6)相连，所述微通道冷却层(6)通过所述第二共晶焊接层(11)与所述导流层(4)相连，该导流层(4)与所述的密封板(3)相连，该密封板(3)开有冷却液入口和冷却液出口。


2.根据权利要求1所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，所述的光栅结构层(7)通过光刻工艺制备在所述的光栅基板(8)的上表面，该光栅结构层(7)的工作方式为反射式，即入射光(9)和衍射光(10)在所述光栅结构层(7)的同一侧。


3.根据权利要求1所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，所述的光栅基板(8)材料为石英、蓝宝石或碳化硅；所述的微通道冷却层(6)材料为硅或碳化硅；所述的共晶焊接层(5)材料为不同组份的金锡共晶焊料、金锗共晶焊料、金硅共晶焊料或银铜共晶焊料；所述的密封板(3)材料为碳化硅、石英或氧化铝陶瓷。


4.根据权利要求1所述的高效主动换热光谱合束光栅集成化模块，其特征在于，所述的冷却液入口与冷却液出口分别通过管道与...

【专利技术属性】
技术研发人员：晋云霞，刘畅洋，邵建达，曹红超，孔钒宇，张益彬，王勇禄，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31