專利名稱：相變散熱裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種散熱裝置，特別涉及一種用于大功率激光器的相變散 熱裝置。
背景技術：
高功率半導體激光器迭陣和高功率全固態激光器以其廣闊的應用前 景和巨大的潛在市場而成為各國竟相追逐的熱點。目前高功率半導體激 光器迭陣所面臨的主要問題是激光器的低性能，即激光器的功率、效率、 可靠性和穩定性、 一致性差等問題，這在很大程度上限制了其實際應用。 激光器的性能除跟外延材料有關以外，還跟激光器的熱耗散有關，由于 轉換效率等因素，發光器件的集成導致熱富集，熱富集將造成激光器有 源區結溫升高，從而降低激光器的光電轉換效率，使激光器的中心波長 發生溫漂，此外，激光器結溫過高將會在有源區引入缺陷。因此高功率 半導體激光器迭陣器件性能的穩定性和可靠性與結溫有直接的關系。通
常情況下，高功率半導體激光器迭陣的工作結溫低于25(TC時，激光器 可獲得最大的光電轉換效率；工作結溫低于50(TC時，激光器可穩定的 工作；而當工作結溫高于500°C時，激光器的性能將很快變壞甚至失效。 因此要獲得高穩定性高可靠性高功率半導體激光器迭陣就必須設計制作 高效率的散熱系統。無源熱沉因其熱容量的限制而^5l實用于小功率激光 器；有源大通道、小通道熱沉其熱阻也相對較高，適用于中等功率激光器。而現有的微通道冷卻熱沉主要針對微電子集成設計的，它采用多塊 厚度均勻的薄金屬片疊合封圍而成，金屬片間熱接觸差，所能承受的水 壓低，導熱效果不好，此外這種微通道冷卻熱沉在制備高功率半導體激 光器迭陣和全固態激光器時，由于它不能直接冷卻單個的激光器陣列條， 因此熱沉表面的溫度會隨著冷卻液流動的方向逐漸升高，使得激光器受 熱不均，影響激光器的一致性，這對于激光器的應用極為不利。
目前熱效應是制約激光器功率提高的一個主要因素。 一方面激光介 質的熱透鏡效應導致諧振腔工作區偏移，另 一方面激光介質的熱退偏效
應導致激光器在類似調Q偏振工作方式下損耗加大。合理地設計泵浦和 不同形狀的激光介質的冷卻結構是解決激光器器件熱效應問題所帶來的 光束質量下降的有效途徑。目前常見的側泵浦方式下棒狀激光介質冷卻 的方式有兩種 一種是采用玻璃套液體冷卻，另外一種是利用熱沉傳導 冷卻。對于在惡劣環境下工作的激光器，如軍用、航天用的激光器，液 冷的激光器結構復雜，可靠性相對較低。而熱沉傳導的激光器結構相對 簡單、可靠性高，更適宜在上述場合下工作。
此外，在半導體泵浦的激光器中，傳統的激光器幾乎全部使用水來 循環冷卻，這不可避免的存在冷水機體積龐大、溫度控制不夠精準且一 般只能設置一個溫度、能耗大、噪音大等問題。目前，對半導體激光器 的散熱一般采用熱沉、散熱片和片狀微通道，是分離的部件，有的將兩 者焊接到一起，對于小功率器件這種散熱方式可滿足要求，但是對于高功率半導體激光器這種分離散熱或兩者的組合散熱方式，散熱效果不理 想。
總之，目前的各種散熱裝置散熱效率較低，對于大功率激光器，無 法高效率地降低激光器工作溫度，且散熱也并不均勻，從而導致大功率 激光器發光效率降低、輸出功率降低、光束質量下降、穩定性降低、工 作壽命減小。如果釆用水循環冷卻等方式，則存在體積大且不環保等更 多問題。
發明內容
因此，本發明的任務是提供一種相變冷卻散熱裝置；
本發明的另 一 目的是提供一種大功率激光器和激光器陣列。
一方面，本發明提供了相變冷卻散熱裝置，包括蒸發室和冷凝室，以 及用于將被散熱物體發出的熱量傳導至蒸發室的導熱端，所述導熱端包括 吸熱組件，所述吸熱組件包覆于被散熱物體的四周。
上述裝置中，所述導熱端還包括散熱組件，所述蒸發室內裝有相變工 作介質，所述散熱組件的至少 一 部分浸泡于所述相變工作介質中。
上述裝置中，還包括用于控制冷凝室溫度的溫度控制裝置。
進一 步地，所述溫度控制裝置可以使用制冷壓縮機或半導體制冷芯片 等，也可將兩者組合使用，進一步提升散熱效率。上述裝置中，所述冷凝室與所述蒸發室通過導管連接，所述導管上可 以設有截流閥。
上述裝置中，包括多根連接所述冷凝室與所述蒸發室的導管，且所述 導管之間可以各自獨立，也可相互連通。
上述裝置中，所述散熱組件外表面設有散熱鰭片，散熱鰭片可以為螺 紋狀或鋸齒狀。
上述裝置中，所述吸熱組件側剖面為楔形或矩形。
上述裝置中，所述相變工作介質為由兩種或兩種以上的冷卻工作介質 組成的混合介質。
上述裝置尤其適用于對激光器或激光器陣列中發熱元件的散熱。
另一方面，本發明提供了一種激光器，包括發熱元件和用于降低發熱 元件溫度的散熱裝置，所述散熱裝置使用上述的相變散熱裝置。
所述發熱元件為激光晶體、半導體激光芯片等泵浦源及非線性光學晶 體等。
采用上述技術方案的相變散熱裝置，具有溫控精準、結構簡單、散熱 效率高、散熱均勻、可靠性好、應用范圍廣泛等優點，成功地改善了用于 大功率激光器的激光晶體、非線性光學晶體或半導體激光芯片等大功率光 學元件的散熱效果，使其散熱均勻且散熱效率提高，從而有效地提高了大功率激光器的發光效率、光輸出功率、光束質量及工作壽命，使激光器的 性能更為穩定可靠。而且，散熱裝置結構相對簡單使得大功率激光器的體 積得以有效的縮小，噪音減小，能源環保，更具有規模化生產的實際價值。 此外，散熱裝置由于其各種優點，可適用于更為廣泛的范圍。
以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中 圖1-圖4為相變散熱裝置的四種吸熱組件的示意圖5為相變散熱裝置的另一種吸熱組件側視圖6為內部包有吸熱組件的散熱組件的側剖面示意圖7為相變散熱裝置的側剖面示意圖8為用于列陣的相變散熱裝置的整體示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細地說明。
圖1 -圖4為相變散熱裝置中的四種吸熱組件結構的示意圖。
圖1-圖2為兩種四棱臺型吸熱組件，其橫截面分別為長方形和正方 形，圖3和圖4為兩種圓臺型吸熱組件，其橫截面為圓形，如圖1-圖4 所示，被散熱物體101四周被吸熱組件所包覆，可以快速有效地將產生的 熱量傳導出去，其中，圖1-圖3的被散熱物體分別為片狀、棒狀和塊狀， 圖4的需散熱物體也為塊狀。如圖lb-圖4b所示，由于吸熱組件側剖面 為楔形，所以能夠利用外部機械應力增加導熱接觸面。當然，吸熱組件也可為柱狀或其他合適的形狀。吸熱組件的材料采用導熱率高的材料，優選 為鋁合金等不易氧化的導熱材料。
圖1-圖4所示的吸熱組件結構適用于單點泵浦和多點泵浦的激光器 或激光器列陣。以上截面形狀和設計可以根據光學元件或其他被散熱器件 的不同需要而進行適當改變。
圖5給出了具有另一種側剖面形狀的吸熱組件，這種分段的側面502 與501和503具有不同傾斜度，其形狀有利于穩步而精準的固定此結構的 具體位置，且該不規則受力面結構仍可以產生機械應力。
圖1-圖5給出的各種吸熱組件外表形狀，其目的都是為了便于對吸 熱組件施加應力，乂人而增加吸熱組件與內部光學元件和外部散熱組件的熱 接觸，提高導熱效率，本領域技術人員應當理解，在上述教導的基礎上， 可以設計出各種便于施加應力的吸熱組件結構，都應在本發明權利要求保 護的范圍之內。
圖6給出 一種散熱組件內部包有吸熱組件的導熱端的剖面圖，被散熱 的光學元件601的表面鍍有或包裹有導熱材料608以增加熱傳導，圓臺型 吸熱組件602包覆在光學元件601的四周，再將吸熱組件602嵌入散熱組 件603。散熱組件603對稱設有散熱鰭片606,在吸熱組件602的頂部設' 有接口 605,該接口可以與光路中其他光學元件連接并使光束通過，吸熱 組件602底部設有壓圏604，在壓圈604的擠壓下，使得吸熱組件602與 光學元件601之間，以及散熱組件603的楔形內壁與吸熱組件602楔形外 壁之間，始終保持一定的應力，提高彼此的熱接觸。散熱組件的兩開口端可以按激光器的實際設計要求進行封閉處理，也可保持全部開放。此外，
還可在散熱組件603內壁和/或吸熱組件602外壁上鍍導熱材料層607以 增加熱傳導效率。導熱材料層607可以為金或者其他不易被氧化的熱的良 導體材料。其中，導熱材料608和導熱材料層607也可以根據實際需要選 擇不進行鍍制。
圖7為相變散熱裝置的側剖面示意圖，包括導熱端、蒸發室和冷凝室， 其中，導熱端的結構與圖6相同，散熱組件714可以完全浸泡或者半浸泡 在蒸發室705內的相變工作介質707中，蒸發室705通過導管708與冷凝 室706連通，導管708在蒸發室的開口對準蒸發室705內放置的散熱組件 714,以便冷卻后的液體能流回到散熱組件714外表面上，所述冷凝室706 的散熱端設有散熱片712,所述散熱片712的上方設有半導體制冷芯片(簡 稱TEC) 710，在半導體制冷芯片710和冷凝室的散熱片712之間還可以 填充金屬或導熱硅膠711。上述導管708可以為單根，也可以為多根，多 根導管可以各自獨立，也可以彼此連通。導管可以是螺紋管、微肋管、收 縮管，或多孔表面管，其形狀可以為矩形、圓形或多邊形等。此外，還可 以在冷凝室706的中間部分設有一個隔熱部分709，用于防止來自外界的 干擾或溫度干擾，并將多根導管708設置在隔熱部分709的兩側，用來進 行相變流通。隔熱部分709也可以去掉，這種情況下可以仍然采用多個導 管，也可以改為采用一個整體導管。
圖7的散熱裝置中，散熱鰭片704除了可以加大熱傳導面積外，而且 構成了微槽群蒸發器，利用毛細效應，提升微槽內的液面，從而增加相變工作介質707的表面積，加快相變速度，提高散熱效率。蒸發室705和冷 凝室706采用耐壓材料，如金屬等，形成密封腔體，且內部抽成真空。散 熱組件714的外表面和冷凝室706的內表面可以鍍有惰性導熱材料，如導 熱塑料、導熱陶瓷等；蒸發室705和導管708的內表面可以鍍隔溫材料如 聚四氟乙烯等；相變工作介質707應當采用熱容大、相變潛熱大的有機或 無機溶液，如溴化鋰溶液、水、乙醇等，也可以為由兩種或兩種以上的冷 卻工作介質組成的混合介質；被散熱元件701外部鍍有的導熱材料702 可以選擇銦箔、導熱硅脂、金或銀等導熱率高的材料；整個散熱裝置除去 散熱端外的其他外部均覆蓋有隔熱材料，如聚氨酯，以保證整個裝置在工 作時不會與環境發生熱交換，確保效率。當使用的相變工作介質能對散熱 組件的外壁表面、蒸發室表面、導管表面和冷凝室表面材料產生腐蝕作用 時，則需要在可能發生腐蝕的器件表面鍍上或噴涂上熱阻小的防腐蝕材料 層。此外，相變可以為氣液相變，也可以為氣固相變。
為了能夠控制冷凝室內的溫度，還可以使用制冷壓縮機等控制裝置取 代半導體制冷芯片，或者采用半導體制冷芯片與制冷壓縮機相結合的應
用，來控制冷凝室和蒸發室內的溫度，從而精確的控制相變工作介質的沸 點，達到精確控制被散熱元件工作溫度的目的。在導管上還可以設有氣體 或液體的截流閥，用于控制蒸發室與冷凝室之間的壓強差。另外，還可以 使用如外加液體循環冷卻或傳統空氣冷卻等方式。
上述散熱裝置在工作時，首先，將塊狀激光晶體以金箔包裹，再在 包裹有金箔的激光晶體表面鍍一層銦膜，以使激光晶體更好的導熱，將吸熱組件從中間打開，按圖4所示將激光晶體放入吸熱組件中，吸熱組件內 空腔的形狀應根據激光晶體量身而制，使激光晶體正好嵌入，吸熱組件內 壁與激光晶體表面完全接觸，從而使導熱效果最佳。其中，吸熱組件的材 料可以為鋁合金等不易氧化的導熱材料。在吸熱組件的外表面和散熱組件 的內表面鍍上金膜，然后將內部裝有激光晶體的吸熱組件裝入散熱組件 中，吸熱組件頂部的接口可以與光路中其他光學元件連接并使光束通過， 吸熱組件底部設有壓圈，在壓圈的擠壓下，使得吸熱組件與激光晶體之間， 以及散熱組件的內壁與吸熱組件外壁之間，始終保持一定的應力，提高彼
此的熱接觸。散熱組件上的散熱鰭片的間距為0. 3毫米，高度為2毫米。 這些鰭片可構成微槽群蒸發器。將散熱組件放置于蒸發室中，在蒸發室內 注入溴化鋰水溶液作為相變工作介質。這樣，散熱組件全部浸泡在溶液中， 以實現完全的熱接觸。蒸發室的上部有多個導管與冷凝室連接。冷凝室的 上部散熱端的散熱片也做成鰭片狀，鰭片高4毫米，間距3毫米，鰭片結 構仍是為了增大散熱面積及加強散熱效果。在冷凝室的中間部分設有一個 隔熱部分，用于防止來自外界的干擾，在隔熱部分的兩側的多根導管，是 蒸汽和液體的公用通道，用來進行相變流通。冷凝室頂端通過導熱硅膠或 硅脂711與半導體制冷芯片的冷端外表面緊貼在一起，半導體制冷芯片的 熱端外表面則與 一風冷鋁合金散熱片也通過導熱硅膠或硅脂緊貼在一起。 上述導熱硅膠也可以采用金屬來代替。除散熱端外的其余外表面均被包以 l厘米厚的聚氨酯隔熱材料，以保證這套系統在工作時，不會與環境發生 熱交換，確保效率。溴化鋰水溶液是一種具有較高汽化潛熱的液體工作介質，將散熱組件完全浸泡在溴化鋰水溶液中，從而在散熱鰭片所構成的相 變加熱區域里形成高強度的蒸發和沸騰，溶劑水變成蒸汽以帶走激光晶體 產生的部分熱量。當部分水以蒸汽形式被蒸發后，散熱鰭片所構成的微槽 群內的溴化鋰溶液的濃度上升，變成溴化鋰濃溶液。冷卻后的液體水由于 重力通過導管流回蒸發室內，滴落在鰭片所形成的相變加熱區，對溴化鋰 濃溶液產生稀釋作用，從而再帶走部分熱量。
在上述相變散熱系統中，吸熱組件中的塊狀激光晶體采用圖4所示
方式放置要比圖3所示結構更佳，原因是以圖4所示方式放置光學元件， 光學元件受力更為均勻，受到外部影響更小，系統更具有穩定性。
對于端面泵浦激光器來說，對溫度控制精度要求高且需有不同基準溫 度，如果采用相變冷卻方式對激光器內的激光晶體、非線性光學晶體、半 導體激光芯片等光學元件進行冷卻則是非常合適的。
與傳統的激光器元件散熱方式相比，此種相變冷卻裝置的蒸發室中 的相變工作介質能夠對內腔裝有光學元件的導熱端進行浸泡或半浸泡， 實現散熱組件與相變工作介質的充分接觸，保證了對光學元件的均勻散 熱，從而使激光器獲得很好的一致性，提高激光器的整體發光效率、光 輸出功率及工作壽命。當在同一個相變蒸發室中按照一定的順序排列多 個內部裝有光學元件的導熱端，如圖IO所示，構成激光器列陣時，則可 使激光器集中散熱，使得激光器的整體體積減小，光輸出功率加大。而 且，這種相變散熱方式不需另外加裝冷卻工作介質驅動裝置，使得整個 散熱系統的體積更小，制造成本更加低廉，結構更加可靠。特別適于作為大功率泵浦源的全固體激光器和大功率的半導體激光器，也可應用于 機載、軍用等惡劣工作條件下以簡單熱傳導方式工作的半導體激光器和 固體激光器。
由于激光晶體和半導體激光芯片等光學元件的散熱問題，普通的大功
率激光器的輸出功率只能達到幾瓦，而使用上述圖9所示的相變散熱裝 置，在不改變激光器的體積和成本的情況下，激光器的輸出功率可以達到 上百瓦，實現了激光器輸出功率的飛躍，并且由于散熱效率高，可以使光 學晶體始終保持在較低的溫度下，提高了發光效率和工作壽命，由此可見， 本發明的相變散熱裝置是一種強力相變散熱機構，對改善激光晶體、非線 性光學晶體、半導體激光芯片等光學元件的散熱問題，尤其是大功率激光 器的散熱問題及提高光學晶體的發光效率、工作壽命有明顯改進，從而能 夠得到高光束質量的激光輸出。
上述的結構可以用于單個光學元件，或者同一光學元件的列陣，也可 以將在同一光路中前后相連的需要散熱的幾個光學元件置于同一個散熱 裝置中，進行集中散熱。
上面結合具體的實施例對本發明的技術方案進行了詳盡的說明和解 釋，本領域的技術人員應當理解，上述實施例并非對本發明保護范圍的限 制，本發明的保護范圍以權利要求為準。
權利要求
1. 一種相變散熱裝置，包括蒸發室和冷凝室，以及用于將被散熱物體發出的熱量傳導至蒸發室的導熱端，所述導熱端包括吸熱組件，所述吸熱組件包覆于被散熱物體的四周。
2. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特征在于，所述導熱端還包括散熱組件，所述蒸發室內裝有相變工作介質，所述散熱組件的至少一部 分浸泡于所述相變工作介質中。
3. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特征在于，還包括用于控制 冷凝室溫度的溫度控制裝置。
4. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特征在于，所述溫度控制裝 置為半導體制冷芯片或制冷壓縮機或者兩者的組合。
5. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特征在于，所述冷凝室與所 述蒸發室通過至少 一根導管連接，所述導管上設有截流閥。
6. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特征在于，所述散熱組件外 表面設有散熱鰭片。
7. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特征在于，所述吸熱組件側 剖面為楔形或矩形。
8. 根據權利要求2所述的相變散熱裝置，其特征在于，所述相變工作介 質為由兩種或兩種以上的冷卻工作介質組成的混合介質。
9. 根據權利要求1-8任一項所述的相變散熱裝置，其特征在于，用于激光器或激光器陣列中發熱元件的散熱。
10. —種激光器或激光器陣列，包括發熱元件和用于降低發熱元件溫度的 散熱裝置，所述散熱裝置為權利要求1-8所述的相變散熱裝置。
11. 根據權利要求10所述的激光器或激光器陣列，其特征在于，所述發 熱元件為激光晶體、半導體激光芯片和非線性光學晶體。
全文摘要
本發明提供一種相變散熱裝置和激光器，所述相變散熱裝置包括蒸發室和冷凝室，以及用于將被散熱物體發出的熱量傳導至蒸發室的導熱端，所述導熱端包括吸熱組件，所述吸熱組件包覆于被散熱物體的四周；采用上述技術方案，具有結構簡單、散熱效率高、散熱均勻、可靠性好、應用范圍廣泛等優點，可用于大功率激光器的激光晶體、非線性光學晶體或半導體激光芯片等大功率光學元件的散熱，使其散熱均勻且散熱效率提高，從而有效地提高了大功率激光器的發光效率、光輸出功率、光束質量及工作壽命，使激光器的性能更為穩定可靠；此外，散熱裝置結構相對簡單且適用范圍廣，使得大功率激光器的體積得以有效的縮小，能源環保，更具有規模化生產的實際價值。
文檔編號H01S5/024GK101471538SQ200710308518
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月29日 優先權日2007年12月29日
發明者濤 房, 勇 畢, 斌 王, 許江珂, 賈中達, 光 鄭, 閔海濤 申請人:北京中視中科光電技術有限公司;中國科學院光電研究院