一种星载泵浦LD强化组件及激光器的制作方法

一种星载泵浦ld强化组件及激光器
技术领域
1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种星载泵浦ld强化组件及激光器。


背景技术：

2.半导体泵浦ld固体激光器是空间激光器的最核心器件，具有长寿命、低功耗、高光束质量等特点，其性能指标与激光器的寿命密切相关，是星载空间激光器理想的激光源。20世纪90年代开始，空间应用激光器普遍采用激光二极管泵浦ld的全固态激光器，使固体激光器的整体质量、体积、效率得到极大改善，国外vcl、mola、lora等系统中普遍采用了dpl激光源，国内空间激光器中大多也采用了dpl作为激光光源。
3.激光二极管有源区大多数为量子阱结构，从工作原理上主要包括dfb激光器、dbr激光器、fp激光器、vcsel激光器等。激光二极管在空间的应用主要分为三个方面:1)高功率脉冲激光二极管叠层阵列，主要作为空间全固态激光器的泵浦源；2)小功率连续激光二极管。主要作为空间光纤激光器的泵浦源，单个器件功率10w以下，以光纤耦合输出；3)小功率dfb、dbr激光二极管，主要应用于全固态或光纤放大器的种子源，或者作为相关频率参考光源，一般通过单模光纤耦合输出，或者直接输出。
4.泵浦源ld可靠性由ld的工作寿命和失效性体现，与器件的工作方式(连续式脉冲)、有源区的材料、有源区与限制层材料的匹配、热沉、腔面情况等多种因素有关，高可靠性的激光器是以上因素的综合效果。ld可靠性很大程度上取决于散热，有效地降低热沉与器件之间的热阻，采取合理的热管理措施和温度控制是大功率半导体激光器工程应用的关键，在装配和调试过程中，选用可靠的电源技术，保证泵浦ld激光器工作时驱动电流波形的纯净避免静电、尖峰信号的干扰和损伤也是保证ld能够长期稳定工作的重要条件。
5.真空气密性和空间抗辐照寿命是泵浦源ld空间使用考虑的重要因素，不密封的泵浦ld在真空下出现功率不同时间的快速下降，气密封装的ld则能避免在真空环境下引入损伤风险。泵浦ld在空间环境下受到的辐照主要是电离和粒子辐照，γ射线和x射线是主要的电离辐照，中子是粒子辐照，材料电离辐照可以产生电子-空穴对，乐子辐照产生原子位移，辐照引起的缺陷在带隙中产生能级，影响激光二极管的电学性能嫩，独照使激光出现加速来华特性，增加的阈值电流使激射波长漂移，产生模式结构变化、恒定电流下光功率输出减小等现象。相对高功率脉冲叠层阵列，小功率激光二极管更容易受到空间辐照影响。
6.发射和在轨运行阶段的反复的机械和热环境振动和交变冲击也是泵浦ld结构必须满足的要求，尤其是外维引线结构固定和连接与泵浦ld的电学稳定性和长期工作可靠性息息相关。
7.但现有无论哪种激光二极管泵浦ld，都无法满足例如空间环境下的使用需求。


技术实现要素：

8.本发明实施例提供一种星载泵浦ld强化组件及激光器，在模块化的而同时满足结构牢固可靠，易于加工，从而能够广泛用于各类星载及其它空间激光器领域。
9.本公开实施例提出一种星载泵浦ld强化组件，包括：基板，强化框架，接线转接板，上盖；
10.所述强化框架设置在所述基板上，所述强化框架与所述基板之间形成一用于容纳泵浦ld和所述接线转接板的腔体，所述上盖用于盖合所述腔体，以形成所述泵浦ld的工作空间；
11.所述泵浦ld设置在所述接线转接板上所述泵浦ld引出的导线连接到所述接线转接板上并引出，且连接在所述泵浦ld和所述接线转接板之间的连接导线呈螺旋状。
12.在一些实施例中，所述星载泵浦ld强化组件还包括光纤输出过渡台；
13.所述光纤输出过渡台设置在所述基板上，所述光纤输出过渡台用于根据预设角度引入输入光纤至所述泵浦ld的连接端。
14.在一些实施例中，所述连接导线的线径与泵浦ld的功率是匹配的，且功率越大线径越大。
15.在一些实施例中，所述接线转接板设置有第一焊盘和第二焊盘，所第一焊盘用于接入所述连接导线，所述第二焊盘用于将所述连接导线引出。
16.在一些实施例中，还包括底座，所述底座设置在所述腔体内，所述底座上设置有消应力结构，所述泵浦ld设置在所述消应力结构中。
17.在一些实施例中，所述泵浦ld通过硅胶安装在所述底座上，且所述底座上与所述泵浦ld的安装面对应的表面顺次涂覆有绝缘导热柔性膜和铟层。
18.在一些实施例中，所述强化框架外壁与所述光纤输出过渡台相对的一侧，还设置有输出插座，且所述输出插座设置有防辐密封。
19.在一些实施例中，所述强化框架和所述上盖采用无磁抗辐射材料制成。
20.在一些实施例中，所述泵浦ld与所述强化框架之间的缝隙填充有硅橡胶。
21.本公开实施例还提出一种激光器，包括本公开各实施例所述的星载泵浦ld强化组件。
22.本发明实施例通过强化框架，接线转接板，上盖，模块化设计易于组装，同时通过连接在泵浦ld和接线转接板之间的连接导线呈螺旋状，具有良好的旋转刚度和总体强度，一方面可以增强机械振动和热高低温交变对引线所带来的应力变形抵抗能力，另一方面具有一定的电感电学效果，对不稳定电流和杂波具有一定的抗干扰效果。通过本公开的设计能够强化泵浦ld的结构，从而满足于各种的应用场景。
23.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
24.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
25.图1为本公开实施例的星载泵浦ld强化组件基本结构示意图；
26.图2为本公开实施例的星载泵浦ld强化组件上盖打开状态示意图；
27.图3、图4为本公开实施例的星载泵浦ld强化组件局部示意图。
具体实施方式
28.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。
29.本公开实施例提出一种星载泵浦ld强化组件，如图1所示，包括：基板1，强化框架3，接线转接板4，上盖8。上盖8可以通过螺钉与强化框架3进行安装，从而通过强化框架3、上盖8以及基板1的配合对泵浦ld前后上、下、前、后、左、右六个面进行结构强化加固。
30.现有技术的泵浦ld四周通常仅为几毫米，上盖一般不超过0.5mm，空间电离射线和粒子通常会击穿壳壁，对泵浦ld内的期间造成伤害，普通的泵浦ld无法满足空间辐照环境要求。在本实施例中，采用无磁抗辐射的泵浦强化框架结构对其进行加固，无磁抗辐射泵浦强化框架结构由强化框架3和上盖8组成，强化框架3布置于泵浦ld外围，可设计成一体式，也可为分体式。框架结构前、后、左、右构成“回”字形式，下底可为激光器基板或者独立底座，上部为盖板8，盖板8可以设计4个或多个螺钉孔和强化框架3连接。
31.所述强化框架3设置在所述基板1上，所述强化框架3与所述基板1之间形成一用于容纳泵浦ld 5和所述接线转接板4的腔体，所述上盖8用于盖合所述腔体，以形成所述泵浦ld 5的工作空间。
32.所述泵浦ld 5设置在所述接线转接板4上所述泵浦ld 5引出的导线连接到所述接线转接板4上并引出，且连接在所述泵浦ld 5和所述接线转接板4之间的连接导线6呈螺旋状。泵浦ld 5的引进、引出线部分和螺旋电感式抗干扰缓冲的连接导线6可以一体式也可以分体式设计。本实施例中，将泵浦ld缓冲引线部分制成螺旋型式立体结构，具有良好的旋转刚度和总体强度，一方面可以增强机械振动和热高低温交变对引线所带来的应力变形抵抗能力，另一方面具有一定的电感电学效果，对进出电流具有一定的净化能力，同时对不稳定电流和杂波具有一定的抗干扰效果，从而增强泵浦ld电学可靠性；接线螺纹的圈数和线径应满足力学要求，相邻之间的螺旋引线在最大横向振动冲击条件下不应接触并保留余量，确保不发生碰撞；螺旋引线外边作热缩管或航天漆包处理，确保不发生短路。
33.强化框架3可以和基板1一体设计，也可以分体设计。强化框架3和基板1一体设计可以加强整体结构防护强度；也可以采用分体设计，分体框架设计灵活性强，可以和不同材料搭配使用，可以设计接口螺钉孔，需考虑框架和激光器基板间的热传递，可以添加空间导热硅脂或其它软性导热材质添加物。在一些实施例中，所述强化框架3和所述上盖8都可以采用无磁抗辐射材料制成。例如强化框架3材料选取铝、铜、铅、钽等无磁金属材料，其中泵浦ld无四周遮挡的框架采用铅、钽等无磁密度高金属材料，有外围遮挡的采用铝、镁等无磁密度低金属材料，上盖选取密度高的铅、钽金属材料，选用无磁材料的目的是避免产生额外附加磁场对泵浦ld电流产生干扰。
34.在一些实施例中，所述星载泵浦ld强化组件还包括光纤输出过渡台2；所述光纤输出过渡台2设置在所述基板上，所述光纤输出过渡台2用于根据预设角度引入输入光纤至所述泵浦ld 5的连接端。泵浦ld 5的出光通常以光纤形式空间耦合输出，本示例中可以做一
斜坡结构自然过渡到激光器底面或者耦合器件中心位置以尽量较少由于耦合光纤直径变化对于对泵浦ld光学性能的影响。
35.在一些实施例中，所述连接导线6的线径与泵浦ld 5的功率是匹配的，且功率越大线径越大。作为小功率激光二极管(10w以下)具体实施例之一，接线螺纹的圈数可以为3圈、线径可以为0.5mm，螺距可以是1mm，材料可以喂紫t2，表面镀金处理。作为大功率激光二极管(10w以上)具体实施例之一，接线螺纹的圈数为3圈、线径为0.8mm，螺距1.6mm，材料紫t2，表面镀金处理。
36.在一些实施例中，所述接线转接板4设置有第一焊盘和第二焊盘，所第一焊盘用于接入所述连接导线6，所述第二焊盘用于将所述连接导线6引出。接线转接板4作为增加的过渡缓冲部分可以增强泵浦ld电路可靠性，接线转接板4为引线结构冗余设计，可以进一步增强引线结构的机械和电学稳定性，接线转接板4包括引进和引出部分，设计有引进和引出焊盘。
37.在一些实施例中，如图2所示，还包括底座，所述底座设置在所述腔体内，所述底座上设置有消应力结构10，所述泵浦ld 5设置在所述消应力结构10中。消应力结构10可以是对应的槽等结构，以减小框架或者激光器底座结构对泵浦ld的影响。
38.在一些实施例中，如图3所示，所述泵浦ld 5通过硅胶13安装在所述底座上，且所述底座上与所述泵浦ld 5的安装面对应的表面顺次涂覆有绝缘导热柔性膜11和铟层12。采用绝缘导热柔性
→
膜金属铟填充单元对其进行静电隔离防护和可靠导热处理。
39.绝缘导热柔性膜11起到对泵浦ld 5绝缘导热作用，安放于泵浦ld 5底座底面，电学性质绝缘处理用于隔离泵浦ld 5和底座之间的电荷传递，使泵浦ld 5处于一相对独立隔绝电学环境，防止外围静电对泵浦ld形成电流干扰。绝缘导热柔性膜11同时具有一定的热导传递系数，搭配外部控温措施(比如tec热点制冷设备)联合作用，可以及时把泵浦ld 5工作时产生的热量传递到激光器底座和外部环境，避免在泵浦ld 5内部产生热积累伤害产光器件，以影响和降低泵浦ld出光功率。空间环境下热导体间的良好接触尤为重要，为实现绝缘导热柔性膜和激光器底座以及泵浦ld之间的良好热接触和避免导热硅脂污染，本实施例中还采用填充铟层12的方式实现三者间的可靠结构热传递。铟的熔点为157℃，采用熔焊的方式会对泵浦ld产生热损伤，因此在一些实施例中可以通过泵浦ld螺钉多次锁紧固定
→
热循环
→
机械固定
→
热循环多次反复的方式实现铟层12的紧密压实，直至厚度变化量小于设计值(0.01mm)，每次泵浦ld 5螺钉锁紧力矩应为紧固螺钉设计力矩的50％
±
5％，多次锁紧和热循环次数不小于3次。
40.在一些实施例中，所述强化框架3外壁与所述光纤输出过渡台2相对的一侧，还设置有输出插座9，且所述输出插座设置有防辐密封。接线转接板4输入输出导线通过航天级密封防辐射插座9和外部连接。
41.在一些实施例中，如图4所示，所述泵浦ld与所述强化框架之间的缝隙填充有硅橡胶14。本实施例中，铟层12紧密压实后采用航天gd414硅橡胶对泵浦ld固定螺钉及框架四周缝隙进行填充固化，填充固化工艺为：填充次数为3～5次，每次填充厚度约0.5～0.8mm，每次填充固化时间为24小时，自然室温22℃～26℃固化，此工艺目的为尽量减少胶层固化应力的同时进一步增强整体结构牢靠性。在本实施例中，为保证良好热接触和安装精度，各零部件接触安装面应足够光滑，无毛刺，保持足够的加工精度(表面粗糙度ra不大于0.8μm，平
面度不大于0.02)。
42.综上，本公开的星载泵浦ld强化组件对泵浦ld，前后上、下、前、后、左、右六个面进行结构强化加固。绝缘导热柔性膜起到泵浦ld绝缘导热作用，安放于泵浦ld底座底面，用于隔离泵浦ld和激光器底座之间的电荷传递，防止静电对泵浦ld形成干扰，同时绝缘导热柔性膜具有导热作用，可以把泵浦ld工作时产生的热量传递到激光器底座，和外部控温措施(比如tec热点制冷设备)联合作用，避免在泵浦ld内部产生热积累伤害产光器件，影响和降低出光功率及工作性能。为进一步实现绝缘导热柔性膜和激光器底座以及泵浦ld之间的良好热接触。
43.将泵浦ld连接引线制成螺旋型式，螺旋型式结构具有良好的旋转刚度和总体强度，相比单层结构一方面可以大大增强机械振动和热高低温交变对引线所带来的应力变形抵抗能力，另一方面具有一定的电感效果，对进入和输出电流起到一定的净化和抗干扰效果，从而增强泵浦ld电学可靠性；增加接线转接板作为过渡单元可以进一步增强泵浦ld电路可靠性；最后对泵浦ld引线进出位置和接线转接板焊盘采用涂胶强化处理。
44.本公开的星载泵浦ld强化组件对泵浦ld可以解决目前星载及其它空间激光器所采用的普通商业泵浦ld无法满足长期工作寿命及空间环境适应性问题，本公开的结构和工艺模块化设计、结构牢固可靠、易于加工组装、拓展性强，可广泛应用和拓展于各类星载及其它空间激光器领域，尤其是对于容易受到空间环境(辐照、机械、热)干扰的小型的小功率激光二极管领域，具有非常好的工程应用价值。本发明所设计的空间二极管泵浦ld强化结构及组装工艺已在实际工程应用中证明了其有效性。
45.本公开实施例还提出一种激光器，包括本公开各实施例所述的星载泵浦ld强化组件。
46.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
47.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
48.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。