用于半导体侧面泵浦圆棒固体激光器的分离式散热装置的制作方法

1.本发明属于激光器光机结构设计领域，具体涉及一种用于半导体侧面泵浦圆棒固体激光器的分离式散热装置。


背景技术：

2.采用半导体阵列侧面泵浦、增益介质为圆棒状的固体激光器，具有光束质量好，峰值功率高，光束稳定性强等特点，广泛用于军事、医疗、工业、通讯等领域。为了获得更高的功率和更好的光斑，激光棒外表面需要均匀地接收来自半导体阵列的泵浦光，这就导致激光棒的热量无法采用热传导的方式散热，只能采用液冷的方式对激光棒进行冷却。
3.现有的该类激光器一般采用整体液冷循环方式，即同时对泵浦源半导体阵列和工作物质激光棒采用液冷散热。但是半导体阵列和激光棒的散热需求并不相同，一般半导体阵列的泵浦光带宽与温度相关，随温度的变化，会产生温漂效应，导致吸收效率下降，必须将其工作温度控制在一定范围内。而激光棒对于温度分布的均匀性更敏感，并没有精确的温控范围需求。如果采用液冷方式同时对半导体阵列和激光棒散热，就需要兼顾两者不同的散热需求。但是，液冷散热系统的响应缓慢，无法满足快速精确温控要求，而且因为要同时对多路激光棒和阵列散热，液路通道需要分成多个支路，其结构组成复杂，体积和重量庞大，泄露风险大，已经无法满足小型化、轻量化、高能量激光器的工程化应用。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题：
5.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于半导体侧面泵浦圆棒固体激光器的分离式散热装置，用于解决传统液冷式散热装置的温控响应慢、结构复杂、体积重量庞大的问题。
6.本发明的技术方案是：一种用于半导体侧面泵浦圆棒固体激光器的分离式散热装置，其特征在于：包括聚光腔、液冷循环散热装置和风冷热管散热装置；
7.所述聚光腔包括壳体、盖板、两根激光棒、激光棒支架和半导体阵列，所述壳体为长方形盒体结构，上、下端均通过盖板封闭，相对两侧壁面开设有与激光棒同轴的通光孔；所述两根激光棒相互平行、且通过激光棒支架安装于壳体内；所述半导体阵列分为多组，呈多边形均布于所述激光棒的外围；
8.所述液冷循环散热装置包括两根石英玻璃管、第一端盖、第二端盖、冷却水箱、水泵和两个波纹连接管；所述两根石英玻璃管分别套于两根激光棒外围；所述第一端盖和第二端盖分别对称安装于激光棒支架的两侧壁面外侧，第一端盖包括盖板和圆管，所述盖板压紧安装于激光棒支架侧壁上，其两端开有通孔，两根石英玻璃管和两根激光棒的一端均与盖板的通孔密封连接；所述圆管的下端与盖板中间的通孔连通、进而与两根石英玻璃管连通；第二端盖与第一端盖的结构相同；两个端盖的圆管竖直安装，其上端口分别与上盖板两端的通孔密封连通；所述冷却水箱设置于上盖板上方，两端的进水口和出水口分别通过
波纹连接管与上盖板两端的通孔密封连通，进而与两个圆管连通；冷却液依次从出水口、一个波纹连接管、第一端盖、石英玻璃管、第二端盖、另一个波纹连接管流入进水口，形成完整的冷却液回路；所述水泵安装于所述冷却水箱上，用于驱动冷却液循环流动；
9.所述风冷热管散热装置包括两个对向安装在所述壳体上的阵列散热模块和一个冷却风机，所述阵列散热模块包括热沉、tec制冷器、热管、散热翅片；所述半导体阵列呈环绕均布状安装于所述热沉上，所述热沉安装在所述盖板上，所述tec制冷器位于所述热沉和盖板之间，并与所述热沉、盖板紧贴；多根所述热管平行排列，其一端埋入所述盖板内部，另一端从盖板侧壁伸出，并穿过位于所述盖板一侧的散热翅片；位于上方和位于下方的散热翅片通过翅片支架合并安装在所述聚光腔的侧面，共同组成冷却风通道；所述冷却风机安装在所述冷却风通道的一端，用于提供流经冷却风通道的强迫风。
10.本发明的进一步技术方案是：所述激光棒支架为长方体框架式结构，相对两个侧壁上分别开有两个通孔，用于石英玻璃管的安装。
11.本发明的进一步技术方案是：所述第一端盖和第二端盖的圆管上端，均设有与波纹连接管对接的圆柱形接头。
12.本发明的进一步技术方案是：所述第一端盖和第二端盖的盖板两端均安装有压板，4个压板分别套装于两根激光棒的两个末端，用于压紧多组密封圈，实现两根激光棒与两个端盖的密封。
13.本发明的进一步技术方案是：所述冷却水箱的上表面设有散热翅片。
14.本发明的进一步技术方案是：所述波纹连接管的两端均设有法兰，其一端法兰与所述冷却水箱上的进水口、出水口密封连接，另一端法兰与所述第一端盖、第二端盖的圆管上的的圆柱形接头密封连接。
15.本发明的进一步技术方案是：所述激光棒支架、第一端盖、第二端盖和压板的材料均为钛合金；波纹连接管为不锈钢，其两端的法兰与波纹连接管焊接成形。
16.本发明的进一步技术方案是：所述冷却水箱为铝合金焊接形成的一体式封闭式水箱。
17.本发明的进一步技术方案是：所述热沉的材料为黄铜，热管为铜制热管，盖板为铝合金材料。
18.本发明的进一步技术方案是：所述散热翅片采用0.3mm的成形铝带扣合而成。
19.有益效果
20.本发明的有益效果在于：本发明将半导体侧面泵浦圆棒固体激光器的半导体阵列和激光棒的散热方式分离开，激光棒的散热使用简化后的液冷循环散热，热负载大幅下降；半导体阵列散热使用体积小、相应灵活、效率更高的风冷热管散热。分离后的整个散热装置结构简化，可靠性提高，体积和重量减小。
21.由于激光棒对于精确温控的需求不高，只需要保证激光棒的温度分布均匀，因此液冷循环散热装置无需额外添加温控器件，仅通过冷却液自身循环冷却即可满足要求。必要时可以在冷却水箱外部增加风扇，加快冷却水箱的散热。
附图说明
22.图1为本发明的分离式散热装置的结构分解示意图；
23.图2为本发明的分离式散热装置的结构外形示意图；
24.图3为本发明的分离式散热装置的液冷循环散热装置的结构示意图；
25.图4为本发明的分离式散热装置的液冷循环散热装置的剖视图(沿两根激光棒的轴线组成的公共平面剖切)；
26.图5为本发明的分离式散热装置的风冷热管散热装置的结构示意图；
27.图6为本发明的分离式散热装置的风冷热管散热装置的剖视图(沿其中一根热管的轴线剖切)。
28.附图标记说明：1.壳体，2.激光棒、3.半导体阵列、4.激光棒支架、5.两根石英玻璃管、6.第一端盖、7.第二端盖、8.压板、9.冷却水箱、10.水泵、11.两个波纹连接管、12.密封圈、13.密封圈、14.热沉、15.tec制冷器、16.上盖板、17.热管、18.散热翅片、14'.热沉、15'.tec制冷器、16'.下盖板、17'.热管、18'.散热翅片、19.冷却风机、20.翅片支架、21.上翅片盖板、21'.下翅片盖板、22.密封垫、23.金属压板、24.o型圈、25.压盖、61.圆柱状接头、111.法兰、112.法兰、113.半法兰、114.半法兰。
具体实施方式
29.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.如图1和图2所示，本发明一种用于半导体侧面泵浦圆棒固体激光器的分离式散热装置的实施。该分离式散热装置包括聚光腔、液冷循环散热装置和风冷散热装置。
32.所述聚光腔由壳体1，激光棒2、半导体阵列3、激光棒支架4、上盖板16、下盖板16'组成，壳体1外形为长方形盒体结构，上、下端均通过盖板16、16'封闭，相对两侧壁面开设有与激光棒2同轴的通光孔；所述两根激光棒2相互平行、且通过激光棒支架4安装于壳体1内；所述半导体阵列3分为多组，呈多边形均布于所述激光棒2的外围；
33.液冷循环散热装置的结构如图3(去除壳体1和风冷热管散热装置)所示，其主要功能为固定和冷却两根激光棒2。包括两根石英玻璃管5、第一端盖6、第二端盖7、压板8、冷却水箱9、水泵10和两个波纹连接管11。
34.激光棒支架4为长方形框架结构，其两端开设有圆孔。第一端盖6和第二端盖7分别安装在激光棒支架4两个端面，其两侧壁上开设有用于穿过两根激光棒2的圆孔，并从两端夹持固定住激光棒2，圆孔内设有多组密封圈12，用于密封激光棒末端外表面和圆孔内表面。压板8共4个，分别套在两根激光棒2的两个末端，用于压缩多组密封圈12形成密封。两根石英玻璃管5的长度比激光棒2短，套在激光棒2外表面，其两个端面顶在第一端盖6和第二端盖7上的环形凹槽内，凹槽内设有密封圈13形成密封。第一端盖6和第二端盖7内部设有中空的冷却液流道，其主体结构上还设有一体式的圆柱状接头61，使从第一端盖6的圆柱状接头61流入的冷却液分成两路支流、流经两个由石英玻璃管5内表面和激光棒2外表面形成的
环状通道后，再汇合成一路，从第二端盖7的圆柱接头61流出。波纹连接管11的一端设有与第一、第二端盖的圆柱状接头对接的法兰111，另一端设有与冷却水箱的进、出水口对接的法兰112。在圆柱接头的末端，也设有两个半法兰113和114，用于组合形成圆柱接头的对接法兰。
35.冷却水箱9安装在壳体1正上方，通过两个波纹连接管11分别与第一端盖6、第二端盖7的圆柱状接头对接，形成完整的闭合冷却液回路，冷却水箱9内部还设有迷宫式流道回路，顶部设有散热翅片。水泵10安装在冷却水箱9上，用于驱动冷却液回路的循环流动。
36.在本实施例中，激光棒支架4、第一端盖6、第二端盖7和压板8的材料均为与激光棒2热膨胀系数相近的钛合金，波纹连接管11为不锈钢制，其两端的法兰111和112与波纹连接管焊接成形，冷却水箱9为铝合金焊接形成的一体式封闭式水箱。
37.冷却液采用蒸馏水或乙二醇，但很容易理解，本发明可采用的冷却液不限于此。
38.由于激光棒对于精确温控的需求不高，只需要保证激光棒的温度分布均匀，因此液冷循环散热装置无需额外添加温控器件，仅通过冷却液自身循环冷却即可满足要求。必要时可以在冷却水箱外部增加风扇，加快冷却水箱的散热。
39.风冷热管散热装置的结构如图4所示，其主要功能为固定和冷却均布环绕在激光棒2外表面的半导体阵列3。包括两个从壳体1上下面对向安装的阵列散热模块、冷却风机19、翅片支架20、上翅片盖板21和下翅片盖板21'。
40.从上方安装的阵列散热模块包括热沉14、tec制冷器15、热管17、散热翅片18。半导体阵列3呈环绕均布状安装在热沉14上，热沉14通过螺钉固定安装在盖板16上，tec制冷器15在热沉14与盖板16之间，并与热沉14的导热面和盖板16导热面紧贴。盖板16内部埋入数根平行排布的热管17，热管17的另一端从盖板16一侧伸出，并穿过位于盖板16一侧的散热翅片18，为了提高散热翅片的效率，热管17折弯后从散热翅片18的正中间穿过。盖板16、热管17和散热翅片18通过低温钎焊形成一体，以利于热量传导。
41.从下方安装的阵列散热模块的组成与从上方安装的组成相同，包括热沉14'、tec制冷器15'、热管17'、散热翅片18'。
42.上下两个阵列散热模块的盖板16和盖板16'对向安装在壳体1上，散热翅片18和散热翅片18'在壳体1的一侧对向合并后形成冷却风的通道。翅片支架20为框架式，固定在壳体1的侧面，用于固定安装散热翅片18和散热翅片18'，冷却风扇19安装在翅片支架20一端，通过强迫风冷实现热量交换，翅片支架的上下面还安装有上翅片盖板21和下翅片盖板21'，用于形成封闭的冷却风通道。
43.风冷热管散热装置的工作过程如下：上下对向安装的阵列散热模块分别负责传导冷却上下各一半半导体阵列，其热传导路径为：半导体阵列-热沉-tec制冷器-盖板-热管-散热翅片。其中，通过控制tec制冷器的输入电流，可以精确控制半导体阵列的温度，实现低温加热、高温散热。热管为具有高导热效率的传热体，其导热系数为铜的几十至数百倍，可以迅速将热量传导至散热翅片，从而实现对半导体阵列的精确、迅速温度控制。上下两个散热翅片合并后共同组成冷却风通道，共用一个冷却风扇，使风冷散热的结构精简，空间占用减小。
44.在本实施例中，热沉的材料为黄铜，热管为铜制热管，盖板为铝合金材料，散热翅片采用0.3mm的成形铝带扣合而成。
45.两个阵列散热模块的组成零件形状可以完全相同，也可以根据情况形状不相同，在本实施例中，盖板16和盖板16'外形不同，其中上方的盖板16表面开设有两个用于穿过第一端盖6、第二端盖7的圆柱接头的圆孔161，而下方的盖板16'没有。热管17和热管17'的折弯形状也不同。
46.如前所述，第一端盖6和第二端盖7的圆柱接头从盖板16的圆孔中伸出，为了保证聚光腔的密封环境，在圆孔和圆柱接头之间设有密封结构，其结构见图6，包括密封垫22、金属压板23、o型圈24和压盖25。共同组成圆柱接头外表面和圆孔之间的密封。
47.本分离式散热装置的安装顺序为:
48.1.将由激光棒支架4，第一端盖6，第二端盖7组成的液冷循环散热装置的下半部分组装好后，装入壳体1中。
49.2.将已经安装好冷却风机的翅片支架20安装在壳体1侧面，。
50.3.从壳体1的上下面对向安装组装好的阵列散热模块，其中，上部分的阵列散热模块的盖板开设有穿过第一端盖6和第二端盖7的圆柱接头的圆孔，将阵列散热模块的散热翅片固定在翅片支架内。
51.4.安装用于密封圆柱接头和圆孔的密封垫22、金属压板23、o型圈24和压盖25。
52.5.将两个半法兰113和114安装在圆柱接头上，形成完整的对接法兰。
53.6.将已经安装了水泵10的冷却水箱9安装在壳体1正上方。
54.7.将波纹连接管11的两端分别与冷却水箱9的进出水口和第一端盖6、第二端盖7的圆柱接头对接，形成完整的冷却液循环回路。
55.8.将上下翅片盖板安装在翅片支架的上下面上，形成封闭的冷却风通道。
56.本发明提供的分离式散热装置，可实现激光棒和半导体阵列分别独立散热，激光棒使用能够均匀冷却的液冷循环散热，半导体阵列使用温控精度和速度高的热管传导风冷散热。由于液冷散热仅用于激光棒的冷却，其热负载大幅降低，散热装置的结构复杂程度、体积、重量和所需冷却液的容积都大幅减小。半导体阵列采用热管传导的风冷散热能够实现快速精确温控，而且全固态的散热方式结构稳定，维护方便。
57.本发明将液冷散热的冷却水箱和风冷散热的冷却风通道分别设置在聚光腔的壳体的正上方和侧面，形成上下循环的液冷散热通道和左右传导的风冷散热通道，提高了激光器散热装置的设计集成度，有利于激光器整体设计的小型化、轻量化。
58.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。