CN102820610B - 一种二极管泵浦激光增益模块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管泵浦激光增益模块及其制备方法，所述增益模块的前端板与偶数环形泵浦激光器组紧固在一起，偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组依次交替串接，两两之间密封固定；后端板与奇数环形泵浦激光器组串接，内部注入冷却液，形成增益模块主体。增益模块主体与底座之间连接半导体制冷器，及时换热。通过给二极管激光器施加电流，使二极管激光器发射激光泵浦棒状激光介质。棒状激光介质所产生的热量通过冷却液传导到环状内多边形热沉上，和二极管激光器产生的热一起通过半导体制冷器传导到底座散热。本发明的增益模块结构简单，安装方便，环境适应性好，可在环境温度-40℃～60℃良好工作。

Description

一种二极管泵浦激光增益模块及其制备方法

技术领域

本发明属于二极管激光器领域，具体涉及一种二极管泵浦激光增益模块及其制备方法，用作固体激光器泵浦源。

背景技术

二极管激光增益模块应用于激光测距、激光引信等领域时，要求其具有结构紧凑、重量轻、高效率、在炎热和酷寒中运行可靠，能承受机械冲击振动、免维护等特点。

在棒状二极管泵浦激光增益模块中，由于二极管激光器和激光介质对散热要求较高，都需要冷却液对其进行实时冷却。名称为“多边形大功率半导体激光器叠层阵列模块”的专利文献（专利号为CN 1674372A）中介绍了二极管激光器的散热和激光介质的散热均采用水冷的方式，但水冷系统在低于0℃的环境下无法正常工作，限制了泵浦模块的环境适应性。并且水冷结构复杂，泵浦光必须通过冷却水和玻璃管才能照射到介质棒上，降低了棒对泵浦光的有效吸收，模块的增益相对偏低。名称为“半导体激光单管组合侧面泵浦固体激光器的激光增益模块”专利文献（专利申请号为200910081390.9）中介绍了通过热管等方式解决二极管激光器的散热问题，但是对于激光介质的散热问题没有考虑，在高功率泵浦时，模块会因为介质热效应影响，无法正常工作。

发明内容

为了克服现有技术中二极管泵浦激光增益模块的散热冷却结构复杂、环境适应性差、增益偏低的不足，本发明的目的之一是提供一种二极管泵浦激光增益模块。本发明的另一目的是提供一种二极管泵浦激光增益模块的制备方法。所述的二极管泵浦激光增益模块可以提供高功率、高效率的泵浦，具有均匀的荧光分布，可在恶劣环境下工作、结构简单，可靠性较高。

本发明的一种二极管泵浦激光增益模块，其特点是，所述的增益模块包括棒状激光介质、冷却液、多个偶数环形泵浦激光器组、多个奇数环形泵浦激光器组、前端板、后端板、半导体制冷器、底座、温度探测器、O型密封圈、棒密封压块；其连接关系是，所述的前端板与偶数环形泵浦激光器组固定连接，偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组依次交替串接，并与后端板连接；前端板、偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板之间均由O型密封圈密封，内部形成聚光腔，聚光腔内注入有冷却液，构成二极管泵浦激光增益模块主体；半导体制冷器设置在二极管泵浦激光增益模块主体与底座之间，与二极管泵浦激光增益模块主体、底座固定连接；温度探测器设置在二极管泵浦激光增益模块主体中的一个环形泵浦激光器组的侧面；棒状激光介质依次穿过前端板、偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板，棒状激光介质的两端分别通过棒密封压块固定在前端板、后端板的端面上。

所述的奇数环形泵浦激光器组，包括二极管激光器芯片、次热沉、绝缘陶瓷片、两个引出电极、电极密封压块、有机玻璃观察窗、环状内多边形热沉；其中二极管激光器芯片设置在两个次热沉之间，呈三明治结构、并与绝缘陶瓷片焊接形成“山”字形次封装结构；将多个“山”字形次封装结构依次串连贴装到环状内多边形热沉上；两个引出电极分别与环状内多边形热沉内的第一个二极管激光器芯片和最末一个二极管激光器芯片连接引出。

所述的偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组的基本结构相同。

所述的冷却液对近红外激光的透过率高于97%，工作温度为-40℃～60℃。

所述的密封圈为O型密封圈。

所述的环状内多边形热沉采用镀金的无氧铜或其他热导率高于150k/W·m^-1·K^-1的高热导率材料制成。

所述的次热沉采用镀金的无氧铜或其他热导率高于150k/W·m^-1·K^-1的高热导率材料制成。

所述的偶数环形泵浦激光器组的数量与奇数环形泵浦激光器组的数量相同或相差一个，

所述的环状内多边形热沉的边数为三～十五边的奇数。

本发明中偶数环形泵浦激光器组设置的数目为1～8个，奇数环形泵浦激光器组设置的数目为1～8个。

本发明的二极管泵浦激光增益模块的制备方法，包括如下步骤：

a.将二极管激光器芯片焊接在两个次热沉之间,再将绝缘陶瓷片焊接在次热沉底部,制成“山”字形次封装结构；

b. 将焊接好的“山”字形次封装依次安装到环状内多边形热沉的各边上，并在绝缘陶瓷的底部涂抹焊料，一个引出电极与第一个二极管激光器芯片连接，另一个引出电极与最末一个二极管激光器芯片连接，并利用专用夹具固定；

c. 将连接了二极管激光器芯片的多边形热沉放入回流焊炉中进行一次性焊接，形成奇数环形泵浦激光器组；

d. 偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组制作步骤相同；

e. 将前端板、焊接好的所有偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板通过螺钉串接组装，棒状激光介质依次穿过前端板、偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板，棒状激光介质两端分别固定在前端板、后端板的端面上；

f. 将偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组的引出电极依次串联；

g. 将冷却液从浸入式液冷棒状二极管泵浦激光增益模块主体上部的注液口处注入到聚光腔体中，使冷却液的液面淹没引出电极，通过有机玻璃窗口密封注液口，构成二极管泵浦激光增益模块主体；

h. 将半导体制冷器安装在二极管泵浦激光增益模块主体、底座之间，并涂抹导热脂；

i. 在二极管泵浦激光增益模块主体中的其中一个环形泵浦激光器组侧面安装温度探测器，构成二极管泵浦激光增益模块。

本发明的二极管泵浦激光增益模块，所有奇数、偶数环形泵浦激光器组之间的电连接采用串联结构，工作时，将驱动电源输出线与正负电极相连，通过给二极管激光器施加电流，使二极管激光器发射激光泵浦棒状激光介质。工作中激光介质所产生的热量通过冷却液传导到环状内多边形热沉上，和二极管激光器产生的热一起通过半导体制冷器传导到底座散热。

本发明中二极管泵浦激光增益模块采用正多边形的均匀泵浦结构形式,可实现多个二极管激光器的发射光谱对棒状介质的均匀泵浦，有效增加泵浦均匀性、降低工作过程中激光介质的热应力，提高了泵浦效率。与传统水冷二极管激光侧面泵浦激光模块相比,本发明的模块无需冷却通道，结构简单，采用了模块式组装结构；棒状激光介质的冷却采用热传导散热方式，二极管激光器和激光介质都可以实现良好散热，环境适应性好，可在环境温度-40℃～60℃良好工作。

附图说明

图1是本发明的二极管泵浦激光增益模块结构示意图；

图2是本发明的二极管泵浦激光增益模块正面截面剖视图； 

图3 是本发明的二极管泵浦激光增益模块中的奇数环形泵浦激光器组结构剖视图；

图中：1.棒状增益介质    2.冷却液     3.偶数环形泵浦激光器组Ⅰ     4.奇数环形泵浦激光器组Ⅰ     5.前端板     6.后端板     7.半导体制冷器     8.底座     9.温度探测器     10. O型密封圈     11.棒密封压块     12.U型电极     13.注液口     14二极管激光器芯片     15.次热沉Ⅰ     16.绝缘陶瓷片     17.引出电极     18.环状内多边形热沉     19.有机玻璃窗口     20.L型电极     25.次热沉Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的二极管泵浦激光增益模块作进一步说明。

实施例1

图1是本发明的二极管泵浦激光增益模块结构示意图，图2是本发明的二极管泵浦激光增益模块侧面截面剖视图。在图1、图2中，本发明的二极管泵浦激光增益模块包括棒状增益介质1、冷却液2、偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、前端板5、后端板6、半导体制冷器7、底座8、温度探测器9、O型密封圈10、棒密封压块11、U型电极12、L型电极Ⅰ20。本实施例中，设置有三个偶数环形泵浦激光器组，分别为偶数环形泵浦激光器组Ⅰ3、偶数环形泵浦激光器组Ⅱ、偶数环形泵浦激光器组Ⅲ；设置有两个奇数环形泵浦激光器组，分别为奇数环形泵浦激光器组Ⅰ4、奇数环形泵浦激光器组Ⅱ；设置有6个O型密封圈，O型密封圈10是其中一个，棒密封压块设置有两个，棒密封压块11是其中一个，U型电极设置有四个，U型电极12是其中一个，L型电极设置有两个，分别是L型电极Ⅰ20、L型电极Ⅱ。其连接关系是，所述的前端板5与偶数环形泵浦激光器组Ⅰ3固定连接，偶数环形泵浦激光器组Ⅰ3、奇数环形泵浦激光器组Ⅰ4、偶数环形泵浦激光器组Ⅱ、奇数环形泵浦激光器组Ⅱ、偶数环形泵浦激光器组Ⅲ依次串接，后端板6与偶数环形泵浦激光器组Ⅲ串接。其中，偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组之间通过U型电极实现电连接，偶数环形泵浦激光器组Ⅲ3的正极通过L型电极Ⅰ20引出，偶数环形泵浦激光器组Ⅰ的负极通过L型电极Ⅱ引出。前端板5、三个偶数环形泵浦激光器组、两个奇数环形泵浦激光器组、后端板6之间均由O型密封圈密封，内部形成聚光腔，聚光腔内注入冷却液2，形成二极管泵浦激光增益模块主体，在二极管泵浦激光增益模块主体上部设置有注液口13。其中，O型密封圈10设置在奇数环形泵浦激光器组Ⅰ4与偶数环形泵浦激光器组Ⅰ3之间，U型电极12设置在奇数环形泵浦激光器组Ⅱ与偶数环形泵浦激光器组Ⅲ之间。半导体制冷器7设置在二极管泵浦激光增益模块主体与底座8之间，与二极管泵浦激光增益模块主体、底座8固定连接，将二极管泵浦激光增益模块主体工作时产生的热量及时传递到底座8上进行散热；温度探测器9设置在二极管泵浦激光增益模块主体中的偶数环形泵浦激光器组Ⅱ的侧面，监测模块温度；棒状激光介质1依次穿过前端板5、偶数环形泵浦激光器组Ⅰ3、奇数环形泵浦激光器组Ⅰ4、偶数环形泵浦激光器组Ⅱ、奇数环形泵浦激光器组Ⅱ、偶数环形泵浦激光器组Ⅲ、后端板6，棒状激光介质1的两端分别通过棒密封压块Ⅰ11和棒密封压块Ⅱ固定在前端板5、后端板6的端面上。

图3 是本发明的二极管泵浦激光增益模块中的奇数环形泵浦激光器组结构剖视图，图3中，所述的奇数环形泵浦激光器组Ⅰ4，包括二极管激光器芯片14、次热沉Ⅰ15、次热沉Ⅱ25、绝缘陶瓷片16、引出电极17、有机玻璃观察窗19、环状内多边形热沉18。本实施例中，设置有十一个二极管激光器芯片，二极管激光器芯片14是其中之一。设置有二十二个次热沉，次热沉Ⅰ15、次热沉Ⅱ25是其中两个。设置有十一个绝缘陶瓷片，绝缘陶瓷片16是其中之一。环状内多边形热沉18的边数设置为十一边。其中次热沉采用无氧铜材料，二极管激光器芯片14设置在次热沉Ⅰ15与次热沉Ⅱ25之间，成三明治结构、并与绝缘陶瓷片16焊接形成“山”字形次封装结构；十一个“山”字形次封装贴装到环状内十一边形热沉上，依次串联，环状内十一边形无氧铜热沉表面镀金处理；两个引出电极分别与环内第一个二极管激光器芯片和第十一个二极管激光器芯片连接引出。

本实施例中所述的二极管泵浦激光增益模块中的偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组基本结构相同。不同之处是偶数环形泵浦激光器组的环内第一个二极管激光器芯片引出电极为正极，奇数环形泵浦激光器组的环内第一个二极管激光器芯片引出电极为负极。

本实施例中所述的冷却液2对近红外激光的透过率高于97%，工作温度为-40℃～60℃。

本实施例中所述的环状内十一边形热沉采用镀金的无氧铜材料制成。

本实施例中所述的次热沉采用镀金的无氧铜材料制成。

实施例2

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的二极管泵浦激光模块由五个奇数环形泵浦激光器组和五个偶数环形泵浦激光器组组成。次热沉采用镀金的BeO材料制成。

实施例3

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的半导体泵浦激光模块由六个奇数环形泵浦激光器组和六个偶数环形泵浦激光器组组成。次热沉采用镀金的WCu合金材料制成。

实施例4

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的半导体泵浦激光模块由三个奇数环形泵浦激光器组和四个偶数环形泵浦激光器组组成。次热沉采用镀金的AlN材料制成。

实施例5

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的环状内多边形热沉的边数为9边。次热沉采用镀金的MoCu合金材料制成。

实施例6

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的环状内多边形热沉边数为7边。

实施例7

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的环状内多边形热沉边数为13边。

实施例8

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的次热沉材料为高热导率的BeO材料。

实施例9

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是：所述的次热沉材料为高热导率的WCu合金。

本发明的一种二极管泵浦激光增益模块的制备方法包括如下步骤：

a.将二极管激光器芯片焊接在两个次热沉之间,再将绝缘陶瓷片焊接在次热沉底部,制成“山”字形次封装结构；

b.将焊接好的“山”字形次封装依次安装到环状内多边形热沉18的各边上，并在绝缘陶瓷的底部涂抹焊料，一个引出电极与第一个二极管激光器芯片连接，另一个引出电极与最末一个二极管激光器芯片连接，并利用专用夹具固定；

c.将连接了二极管激光器芯片的多边形热沉18放入回流焊炉中进行一次性焊接，形成奇数环形泵浦激光器组；

d.偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组制作步骤相同；

e.将前端板5、焊接好的所有偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板6通过螺钉串接组装，棒状激光介质1依次穿过前端板5、偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板6，棒状激光介质1两端分别固定在前端板5、后端板6的端面上；

f.将偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组的引出电极依次串联；

g.将冷却液2从二极管泵浦激光增益模块主体上部的注液口13处注入到聚光腔体中，使冷却液2的液面淹没引出电极，通过有机玻璃窗口19密封注液口13，构成二极管泵浦激光增益模块主体；

h.将半导体制冷器7安装在二极管泵浦激光增益模块主体、底座8之间，并涂抹导热脂；

i.在二极管泵浦激光增益模块主体中的其中一个环形泵浦激光器组侧面安装温度探测器9，构成二极管泵浦激光增益模块。

Claims (6)

1.一种二极管泵浦激光增益模块的制备方法，所述的增益模块包括棒状激光介质、冷却液、多个偶数环形泵浦激光器组、多个奇数环形泵浦激光器组、前端板、后端板、半导体制冷器、底座、温度探测器、O型密封圈、棒密封压块；其连接关系是，所述的前端板与偶数环形泵浦激光器组固定连接，偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组依次交替串接，并与后端板连接；前端板、偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板之间均由O型密封圈密封，内部形成聚光腔，聚光腔内注入有冷却液，构成二极管泵浦激光增益模块主体；半导体制冷器设置在二极管泵浦激光增益模块主体与底座之间，与二极管泵浦激光增益模块主体、底座固定连接；温度探测器设置在二极管泵浦激光增益模块主体中的一个环形泵浦激光器组的侧面；棒状激光介质依次穿过前端板、偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板，棒状激光介质的两端分别通过棒密封压块固定在前端板、后端板的端面上；

所述的奇数环形泵浦激光器组，包括二极管激光器芯片、次热沉、绝缘陶瓷片、两个引出电极、环状内多边形热沉，其中二极管激光器芯片设置在两个次热沉之间，呈三明治结构、并与绝缘陶瓷片焊接形成“山”字形次封装结构，将多个“山”字形次封装结构依次串连贴装到环状内多边形热沉上，两个引出电极分别与环状内多边形热沉内的第一个二极管激光器芯片和最末一个二极管激光器芯片连接引出，所述奇数环形泵浦激光器组的环内第一个二极管激光器芯片引出电极为负极；所述的偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组的基本结构相同，不同之处是偶数环形泵浦激光器组的环内第一个二极管激光器芯片引出电极为正极；

所述的制备方法包括如下步骤：

a.将二极管激光器芯片焊接在两个次热沉之间,再将绝缘陶瓷片焊接在次热沉底部,制成“山”字形次封装结构；

b.将焊接好的“山”字形次封装结构依次安装到环状内多边形热沉的各边上，并在绝缘陶瓷的底部涂抹焊料，一个引出电极与第一个二极管激光器芯片连接，另一个引出电极与最末一个二极管激光器芯片连接，并利用专用夹具固定；

c.将连接了二极管激光器芯片的多边形热沉放入回流焊炉中进行一次性焊接，形成奇数环形泵浦激光器组；

d.偶数环形泵浦激光器组与奇数环形泵浦激光器组制作步骤相同；

e.将前端板、焊接好的所有偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板通过螺钉串接组装，棒状激光介质依次穿过前端板、偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组、后端板，棒状激光介质两端分别固定在前端板、后端板的端面上；

f.将偶数环形泵浦激光器组、奇数环形泵浦激光器组的引出电极依次串联；

g.将冷却液从二极管泵浦激光增益模块主体上部的注液口处注入到聚光腔体中，使冷却液的液面淹没引出电极，通过有机玻璃窗口密封注液口，构成二极管泵浦激光增益模块主体；

h.将半导体制冷器安装在二极管泵浦激光增益模块主体、底座之间，并涂抹导热脂；

i.在二极管泵浦激光增益模块主体中的其中一个环形泵浦激光器组侧面安装温度探测器，构成二极管泵浦激光增益模块。

2.如权利要求1所述的二极管泵浦激光增益模块的制备方法，其特征在于：所述的冷却液工作温度为-40℃～60℃。

3.如权利要求1所述的二极管泵浦激光增益模块的制备方法，其特征在于：所述的环状内多边形热沉采用镀金的无氧铜或其他热导率高于150k/W·m^-1·K^-1的高热导率材料制成。

4.如权利要求1所述的二极管泵浦激光增益模块的制备方法，其特征在于：所述的次热沉采用镀金的无氧铜或热导率高于150k/W·m^-1·K^-1的BeO、WCu合金、AlN或MoCu合金材料制成。

5.如权利要求1所述的二极管泵浦激光增益模块的制备方法，其特征在于：所述的偶数环形泵浦激光器组的数量与奇数环形泵浦激光器组的数量相同或相差一个。

6.如权利要求1所述的二极管泵浦激光增益模块的制备方法，其特征在于：所述的环状内多边形热沉的边数为三～十五边的奇数。