用于使激光器基板温度均匀化的方法和设备技术

本发明专利技术涉及激光器技术领域，更具体来讲，涉及用于使激光器基板温度均匀化的方法和设备，其中光学元件支架附接至所述激光器基板，并且所述激光器基板包括传热介质。为了降低所述激光器基板对局部温差的敏感性、确保所述光学元件的稳定位置并从而确保光路的方向，制造所述激光器基板和所述光学元件支架的材料是不锈钢。被动传热构件内置于所述激光器基板中，其导热性明显高于不锈钢，并且其热膨胀系数接近不锈钢的热膨胀系数。所述光学元件的支架通过激光点焊附接至所述激光器基板并相对于彼此进行调整。于彼此进行调整。于彼此进行调整。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使激光器基板温度均匀化的方法和设备


[0001]本专利技术涉及激光器
，更具体来讲，涉及用于使激光器基板温度均匀化的方法和设备。

技术介绍

[0002]通常，激光器基板或激光器主体和光学元件支架由铝合金制成，因为铝具有良好的导热性(约230W/K/m)、易于机械加工、强度高且重量轻，并且铝是一种相对便宜的金属。然而，铝还有缺点：铝制零件在机械处理和自然老化后由于残余应力而容易变形，这使得难以确保激光器光学元件的位置恒定并保持光路的稳定取向，并且铝焊接是一个复杂的过程，反射镜、透镜、光纤分路器、偏振器等支架的光学机械组件通常用螺钉或胶水固定在激光器基板上，这会产生不需要的应力，这也可能导致光学元件未对准。另外，为了在激光器温度变化和温度梯度出现时保证光学元件的位置恒定和光路方向的稳定性，激光器基板和光学元件支架由具有超低温膨胀特性的合金制成，例如殷瓦合金或铁镍钴合金。也有尝试用SiO2(二氧化硅)来制造激光器基板。
[0003]有一种已知的稳定激光器设备，其对温度变化的依赖性很弱，并由由SiO2或殷瓦合金制成的激光介质、谐振器和谐振器支撑外壳构成，这些材料具有非常低的热膨胀系数。日本专利申请JPS5645091(A)，1981中描述了一种已知的激光器设备。
[0004]已知该激光器设备的缺点在于，从技术上难以用殷瓦合金和SiO2制造更大尺寸的激光器基板并将光学机械组件焊接其上。另外，SiO2和殷瓦合金是相对较差的导热体，且不适合从发热的激光器元件散热。与铝合金或不锈钢相比，SiO2和殷瓦合金还是昂贵的材料。
[0005]已知一种激光谐振器，其输入和输出反射镜安装在由殷瓦合金制成的底座上，反射镜之间装有激光器晶体和非线性光学晶体，热交换器安装在非线性光学晶体和底座之间以保持预期的非线性光学晶体温度。日本专利申请JPH0895104(A)，1996中描述了一种已知的激光谐振器。
[0006]已知该设备的缺点在于，与铝相比，制造该设备底座的殷瓦合金是一种较差的热导体，不适合从强烈加热的激光器构件中散热。另外，与铝合金或不锈钢相比，殷瓦合金是昂贵的。
[0007]已知的固态激光器由二极管激光器或二极管激光器阵列从后部开始堆叠而成，其元件安装在低温膨胀基板上，该基板通过热电冷却器而得到热稳定。该激光器包括散热器、安装在散热器上的热电冷却器、安装在热电冷却器上的基板，以及安装在基板上的二极管激光器和光学构件。光学系统适于在二极管激光器的波长与活性介质的吸收带相匹配的特定温度下工作。热敏电阻测量基板的温度，并通过调节热电冷却器的电流，使得无论环境温度如何，都能保持基板恒定的工作温度。美国专利申请US5181214(A)，1993中描述了一种已知的激光器。
[0008]已知该激光器的缺点在于，应用这种方法来稳定大型激光器基板的温度复杂且昂贵、需要大量的热电冷却器和大量的电力来为热电元件供电，并且由于热电冷却器会释放
大量的热量，从而必须提供额外的散热方式。另外，在竖直方向上，从底座的顶部到安装热电冷却器的底部，会出现很大的温度梯度，使得基板可能会弯曲，尤其是当基板的温度膨胀系数低到不可忽略的程度时。
[0009]有一种已知用于将光学元件附接至光学支架的方法和设备，其中光学元件安装在光学支架的竖直部分上并且支架的竖直部分附接至支架的基板。支架的基板包括加热器，例如电阻加热器，用于将支架的主板焊接至光学立架。为了在光学元件已焊接至光学立架上之后重新定位其位置，打开加热器直到焊料熔化，然后改变支架的位置并关闭加热器。美国专利No.6,292,499(B1)，2001描述了已知用于将光学元件附接至光学立架的方法和设备。
[0010]该已知方法和设备的缺点在于，光学元件的安装支架是在焊料加热熔化后调整的，结果大面积的光学立架暴露在温度下，支架变热，并且光学元件的位置可能会因焊料冷却和凝固时的温度变化和由此产生的应力而发生变化。另外，在焊料从液态转变为固态的过程中，光学元件的位置可能会发生变化，并且光路的方向可能会相应地发生变化。
[0011]已知一种用于薄盘激光器系统的热控制设备和方法，其借助有效导热性为10
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20000W/m/K的机械控制振荡热管来使得通过整个薄盘激光器晶体或陶瓷达到接近等温的温度，薄盘激光器晶体或陶瓷与支撑结构的热膨胀系数相匹配。国际专利申请WO2011091381A2，2011描述了已知的一种用于薄盘激光器系统的热控制设备和方法。
[0012]该已知方法和设备的缺点在于，虽然通过消除温度梯度并相应地消除薄盘变形解决了大功率薄盘激光器晶体或陶瓷撑架的问题，但没有解决将光学元件附接至激光器基板和稳定光学元件位置的问题。
[0013]已知一种用于光学立架的液体冷却系统和确保光学立架热稳定性的方法。该光学立架由光学立架中在通道网络中循环的液体冷却，光学立架可通过冷板冷却，在某些情况下，液体还可冷却散发大量热量的光学元件。按此方式，适当控制通道网络中的液体流动可确保光学立架的冷却和均匀的温度分布。美国专利申请US2020161825(A1)描述了已知用液体冷却光学立架的系统和方法。
[0014]该已知用流动液体来稳定光学立架温度的系统和方法的缺点在于，采用液体冷却，必须采取特殊的密封措施，防止液体渗入系统。另外，需要冷却器来冷却和泵送液体以冷却和稳定温度。光学立架的液体冷却还需要额外的维护和服务，这是额外的成本和时间。
[0015]有一种已知的激光器二极管组件，其外壳和安装部分具有由铜形成的主体并具有由钢制成的护套。因此，可实现由钢构成的安装区域，同时可获得由铜提高的导热性。
[0016]该已知的设备的缺点在于，提高了激光器二极管组件外壳的导热性，但这并没有解决激光器基板变形和光学元件相对于彼此的位置在激光器温度变化和温度梯度出现时会错位的问题。美国专利申请US20140092931A1，2014中描述了一种已知的激光器二极管组件。
[0017]有一种已知的水冷面包板，其配备有两个平行的铜管，水从中流过。
[0018]该已知的面包板的缺点在于，从板上排出热量需要水流过铜管，因此该设备必须配备冷却器。另外，流经铜管的水比面包板温度低，因此会产生了使面包板弯曲的温度梯度。基本实验室工具文档中描述了一种已知的水冷面包板：“2015年10月时事通讯
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液冷面包板”，2015年10月份25日(2015
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10
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25)，第1
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4页，XP55836026,检索自互联网:URL:
https://www.baselabtools.com/October
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2015
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Newslett er_b_22.html[retrieved on 2021
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08
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30][0019]待解决技术问题
[0020]本专利技术的目的在于：增加激光器基板对局部温差的抵抗力，以确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种使激光器基板温度均匀化的方法，激光器光学元件的支架附接至所述激光器基板，所述方法包括：
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选择将要制作所述激光器基板和光学元件支架的材料，
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为所述激光器基板提供均温装置，
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将所述光学元件支架附接至所述激光器基板并将二者最终对准，其特征在于，选择用于生产所述激光器基板(1)和所述光学元件支架(5、5
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)的材料是不锈钢，所述均温装置被配置为细长的被动传热构件(2)，所述被动传热构件插入所述激光器基板(1)中制成的孔阵列中，所述被动传热构件(2)被选择为具有明显高于，优选地至少十倍于不锈钢的导热率和接近不锈钢的热膨胀系数，至少两个光学元件支架(5、5
’
)附接至所述激光器基板并使用激光点焊相对于彼此进行调整。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细长的被动传热构件(2)由具有良好导热性的金属制成，优选为铜，更优选为纯铜。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，插入所述激光器基板(1)中的细长的被动传热构件(2)是具有选定直径和长度的杆棒。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，插入所述激光器基板(1)中的细长的被动传热构件(2)是具有选定直径和长度的热管，所述热管采用相变来传递热量。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述传热杆棒或热管相对于所述激光器基板(1)沿一个或多个不同方向排列。6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述光学元件支架(5)是整体式的；在安装到激光基板之前，所述支架根据两个正交平移坐标和一个旋转坐标在所述激光器基板的平面内对齐，之后使用激光电焊进行安装；安装后，使用激光点焊进行最终对准。7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述光学元件支架(5
’
)是复合式的，由整体式块(7)和(8)组成，所述整体式块在垂直于所述激光器基板(1)的平面的平面内进行组装并相互对齐，并通过激光点焊(6
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)进行固定；组装的支架(5
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)在所述激光器基板的平面内对齐，并通过激光点焊(6)固定在激光器基板(1)上，或先使用激光点焊(6)将下块(7)对齐并固定至所述激光器基板(1)，然后使用激光点焊(6
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)将上块(8)对齐并固定至块(7)。8.一种使激光器基板温度均匀化的设备，激光器光学元件支架附接至所述激光器基板，所述设备包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：内瑞斯，
申请(专利权)人：利特里特有限公司，
类型：发明
国别省市：