一种基于热键合技术的铒镱共掺磷酸盐玻璃增益介质分层导热的结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于热键合技术的铒镱共掺磷酸盐玻璃增益介质分层导热的结构，通过利用散热片与水冷系统，有效的解决了传统高功率侧面泵浦铒镱玻璃的热效应问题，通过热键合技术将增益介质与散热片键合在一起，降低了增益介质内部温度梯度，从而提高增益介质内的泵浦吸收功率密度，最终提高了输出功率。本发明专利技术具有体积小，结构紧凑，成本低等优点。易于实现一体化与小型化。一体化与小型化。一体化与小型化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热键合技术的铒镱共掺磷酸盐玻璃增益介质分层导热的结构


[0001]本专利技术涉及了一种大能量、小体积的铒镱共掺磷酸盐玻璃增益介质窄脉冲放大器。设计了新的结构，新的散热方式，并通过分层铒镱磷酸盐玻璃、散热片之间的键合，构成了新的具有散热高效的激光放大器。属于固体激光放大器


技术介绍

[0002]随着激光技术和电子学技术的发展，激光测距对激光器提出了新的应用要求，要求激光器具有窄脉宽、大能量、小体积、低功耗等参数指标。能量大、脉宽窄，测程越远；小体积、低功耗，集成化越高，利于便携化应用，在激光测距中使用的1.06μm，1.5μm以及10.6μm的波长中，1.5μm波段激光有着极大的优势，从人眼安全的角度来说，1.5μm波段的激光有着更高的人眼允许最大曝光量。同时处于大气窗口，具有在空气及烟雾环境传输过程中穿透力高、目标反射率优良等独特优点。基于LD泵浦的全固态激光放大器具有体积小、结构紧凑、性能稳定、可靠性好、光束质量高等优点，高光束质量、大能量的固体激光器在航空航天，气象等方面有着重要应用。
[0003]但是，目前实现人眼安全激光的几种放大器中，掺铒光纤放大器由于本身较强非线性效应以及较大的尺寸，制约了其在小尺寸测距中的应用；端面泵浦的棒状、方形柱状放大器，入射端面光功率密度较高由此带来的热透镜效应较严重，传统侧面半导体泵浦的棒状、方形柱状放大器，由于体积较大、热效应严重，限制了输出功率的提高。
[0004]针对现有激光放大器存在的不足，本专利技术设计了一款基于热键合技术的铒镱共掺磷酸盐玻璃(Er:Yb:glass)增益介质的分层导热结构，解决了传统侧面半导体泵浦铒镱玻璃棒状放大器热效应严重的问题，提高了总体的功率密度，具有输出能量大、效率高等特点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种铒镱玻璃增益介质的分层导热结构，有效改善原有铒镱玻璃增益介质放大器在高功率泵浦下存在明显的热效应现象，从而实现高效率、大能量的激光输出。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术的铒镱玻璃增益介质的激光放大器主要包括：铒镱玻璃热键合增益介质1、泵浦光系统2、泵浦源整形柱透镜3、种子源4，种子光扩束系统5，种子光经铒镱玻璃热键合增益介质1左端面进入，泵浦光系统经过一个柱透镜，对泵浦光快轴进行整形，侧面泵浦能使得泵浦光均匀吸收，增加总吸收功率。
[0007]所述的铒镱玻璃增益介质热键合分层导热结构，由铒镱玻璃与散热片组成，依次交替倾斜键合在一起，倾斜可以增加泵浦吸收的面积，提高吸收率，散热片有着良好的导热特性，有效减少铒镱玻璃由于吸收泵浦产生的热量，保证足够的散热性能，能在更高泵浦功
率下工作。通过热键合技术将铒镱玻璃于散热片制备为一体结构，可用于水冷，进一步降低热效应，示意图如图2。
[0008]所述的泵浦源为连续输出的半导体巴条。
[0009]所述的泵浦光整形柱透镜为用于快轴准直的柱透镜。
[0010]所述的种子源为一款输出波长为1535nm的调Q脉冲激光器。
[0011]所述的种子光扩束系统由两个透镜平凸透镜构成，保证扩束后能充分利用放大器中增益介质经泵浦光所储存的能量。
[0012]与现有的侧面泵浦的铒镱玻璃放大器结构相比，本专利技术具有如下优点：
[0013]1.本专利技术采用铒镱玻璃与散热片之间分层键合，散热片由于较高的导热系数，能有效降低增益介质整体的热效应。在相同温度下，通过提高泵浦功率，从而提高了总的吸收功率。
[0014]2.本专利技术采用倾斜薄片的结构，有效的增加了泵浦光的吸收面积，提高总的吸收功率，一定程度上减少ASE造成的对吸收泵浦光能量的损失，对泵浦光从侧面三个方向进入增益介质，提高泵浦均匀性。
[0015]3.本专利技术的结构体积小，采用热键合技术制备，使整体结构更加简单紧凑，还可以通过水冷进行降温，进一步降低整体温度，进而实现高功率，高光束质量的激光输出。
[0016]此外本专利技术整体结构成本低，在改善增益介质热效应上具有实质性的特点和显著进步，本专利技术所述的方法可以广泛应用于人眼安全激光器中，易于实现小型化、大能量的目标，实现工程应用。
附图说明
[0017]图1是铒镱玻璃增益介质激光放大器方案示意图。
[0018]图2是铒镱玻璃增益介质分层导热结构三维示意图。
[0019]图3是铒镱玻璃增益介质激光放大器泵浦光路图。
[0020]图4是铒镱玻璃增益介质分层导热结构温度及应力模拟计算。
[0021]图5是相同条件下传统侧面泵浦结构温度与应力分布。
具体实施方式
[0022]为了使本
的人员能更好的理解本专利技术中的技术方案，下面结合图1至图5，对本专利技术的铒镱玻璃分层导热结构激光放大器的内容作进一步说明：
[0023]参阅图1，是激光放大器的结构图，此放大器由铒镱玻璃增益介质热键合分层导热结构1、泵浦源系统2、泵浦源整形柱透镜3、种子源4、种子光扩束系统5组成。
[0024]图2为铒镱玻璃增益介质分层导热结构三维示意图，增益介质为铒镱玻璃片，散热片为石英晶体片(导热系数:11.7W/(m
·
K))，每片厚度0.5mm，半径3mm，倾斜45
°
，分层依次通过热键合技术形成一个整体，泵浦光从侧面进入，种子光从增益介质端面进入，通过zemax光线追迹法模拟可知，泵浦光吸收均匀。
[0025]泵浦源为连续输出功率100W的半导体泵浦源3个，快轴发散角为0.5度(全角)，慢轴发散角为8度(全角)，中心波长940nm，经焦距为3mm的柱透镜对快轴方向进行整行，进入增益介质中。三个泵浦源成等边三角形排列，增加泵浦均匀性。
[0026]种子源选择的是一款脉冲宽度5.5ns，单脉冲能量300μJ，光束质量M2为1.5，输出波长为1535nm，输出能量稳定性10％的激光器。种子光经焦距为20mm与焦距10mm的平凸透镜扩束系统后，光斑半径为3mm进入增益介质中。
[0027]参阅图4，为保证此结构不因温度和热应力过大导致增益介质结构断裂，对铒镱玻璃增益介质分层导热结构内部温度及应力进行模拟计算，利用COMSOL有限元分析软件采用水冷的方式，水冷温度为293K，其转换系数为10000W
·
m
‑2k
‑1，可知当泵浦功率为300W时，波导内最大温度为325K，远小于玻璃的软化温度735K，最大应力为10.2MPa，小于铒玻璃的应力断裂极限69MPa。因此不会对结构造成损伤。相较于传统非键合侧面泵浦结构，利用石英晶体良好的散热特性使整体温度下降77度，应力减少9.5MPa，在降低整体温度的同时也降低了内部的温度梯度。通过热键合的方式使结构可以通过水冷进一步降低温度。相较于非倾斜结构，吸收效率由52.3％提升到了78.6％。倾斜结构还有利于减少ASE所造成的泵浦能量的损失。因此本专利技术的结构可以广泛用于人眼安全激光器中，易于实现小体积、大能量的目标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热键合技术的铒镱共掺磷酸盐玻璃增益介质分层导热的结构，其特征在于：增益介质为铒镱玻璃，散热片为导热系数大的物质，依次交替，通过热键合形成一个整体。2.根据权利要求1所述的一种基于热键合技术的铒镱共掺磷酸盐玻璃增益介质分层导热的结构，其特征在于：铒镱玻璃与散热片采用倾斜结构，倾斜45度。3.根据权利要求1所述的一种基于热键合技术的铒镱共掺磷酸盐玻璃增益介质分层导热的结构激光放大器，其特征在于：包括铒镱玻璃热键合增益介质(1)、泵浦光系统(2)、泵浦源整形柱透镜(3)、种子源(4)、种子光扩束系统(5)，种子源(4)经扩束系统(5)进入铒镱玻璃热键合增益介质(1)左端面，泵浦光系统(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，吕游，雷訇，韩雪，惠勇凌，朱占达，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：