一种激光散热装置及其制备方法、固体激光器
阅读：89发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种激光散热装置及其制备方法、固体激光器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 说明书 实施例 公开了一种激光 散热 装置及其制备方法和固体 激光器 ，该装置包括：衬底；位于所述衬底一表面的光学高反层，其中，所述光学高反层具有全反射结构；位于所述光学高反层之上的 传热 层，所述传 热层 包含多个呈阵列式排布的传热单元，相邻传热单元之间形成传热通道，每个所述传热单元之上设置有 支撑 单元；所述传热层通过所述多个传热单元将固体激光器产生的热量传导出去，同时，通过阵列式排布形成的传热通道将固体激光器产生的热量扩散出去。从而，有效提升散热效果，提高激光反射率，从整体上提升激光器件的性能。，下面是一种激光散热装置及其制备方法、固体激光器专利的具体信息内容。
1.一种激光散热装置，其特征在于，包括：
衬底；位于所述衬底一表面的光学高反层，其中，所述光学高反层具有全反射结构；位于所述光学高反层之上的传热层，所述传热层包含多个呈阵列式排布的传热单元，相邻传热单元之间形成传热通道，每个所述传热单元之上设置有支撑单元；所述传热层通过所述多个传热单元将固体激光器产生的热量传导出去，同时，通过阵列式排布形成的传热通道将固体激光器产生的热量扩散出去。
2.如权利要求1所述的激光散热装置，其特征在于，所述光学高反层与所述传热层之间还设置有用于辅助结合的铝膜层或导热胶。
3.如权利要求1所述的激光散热装置，其特征在于，所述光学高反层采用分布式布拉格反射镜设计。
4.如权利要求1-3任一项所述的激光散热装置，其特征在于，所述光学高反层是采用原子层沉积工艺制备得到的多层薄膜复合得到。
5.如权利要求4所述的激光散热装置，其特征在于，所述光学高反层的膜层厚度可控，以得到不同的全反射率。
6.如权利要求1所述的激光散热装置，其特征在于，所述传热层包含金刚石薄膜和金刚石复合薄膜，其中，所述金刚石复合薄膜为铜与金刚石以预设比例混合得到，其中，所述预设比例范围在5：5到7：3之间。
7.如权利要求1所述的激光散热装置，其特征在于，所述支撑单元的高度范围为5mm~
7mm。
8.如权利要求1或7所述的激光散热装置，其特征在于，所述支撑单元通过焊接工艺或是掩膜光刻工艺设置在所述传热单元之上。
9.一种激光散热装置的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底的一表面形成具有全反射结构的光学高反层；
在所述光学高反层之上形成包含多个呈阵列式排布的传热单元的传热层，相邻传热单元之间形成传热通道；
在所述传热层的每个传热单元之上设置支撑单元。
10.一种固体激光器，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的激光器散热装置。
一种激光散热装置及其制备方法、固体激光器
技术领域
背景技术
[0002] 目前，固体激光器在使用过程中，输入总能量只有少部分转换为激光输出，绝大部分能量转换成器件的热耗散掉。尤其是激光晶体发热对激光器输出的影响最大。由于激光器的输入功率越大，热效应也越严重，并且特殊用途的激光器还需要一定的机械性能与光学结构方面的集成设计，所以这些有关这些要求的设计成为研制大功率激光器的关键设计。
[0004] 本说明书实施例的目的是提供一种激光散热装置及其制备方法、固体激光器，以有效提升散热效果，提高激光反射率，从整体上提升激光器件的性能。
[0005] 为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：
[0006] 一种激光散热装置，包括：
[0007] 衬底；位于所述衬底一表面的光学高反层，其中，所述光学高反层具有全反射结构；位于所述光学高反层之上的传热层，所述传热层包含多个呈阵列式排布的传热单元，相邻传热单元之间形成传热通道，每个所述传热单元之上设置有支撑单元；所述传热层通过所述多个传热单元将固体激光器产生的热量传导出去，同时，通过阵列式排布形成的传热通道将固体激光器产生的热量扩散出去。
[0009] 可选地，所述光学高反层采用分布式布拉格反射镜设计。
[0011] 可选地，所述光学高反层的膜层厚度可控，以得到不同的全反射率。
[0012] 可选地，所述传热层包含金刚石薄膜和金刚石复合薄膜，其中，所述金刚石复合薄膜为铜与金刚石呈一定比例复合得到，其中，所述预设比例范围在5：5到7：3之间。
[0013] 可选地，所述支撑单元的高度范围为5mm～7mm。
[0015] 一种激光散热装置的制备方法，包括：
[0016] 提供一衬底；
[0017] 在所述衬底的一表面形成具有全反射结构的光学高反层；
[0018] 在所述光学高反层之上形成包含多个呈阵列式排布的传热单元的传热层，相邻传热单元之间形成传热通道；
[0019] 在所述传热层的每个传热单元之上设置支撑单元。
[0020] 一种固体激光器，包括所述的激光器散热装置。
[0021] 由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本说明书实施例可以实现以下技术效果：
[0022] 采用了薄膜阵列式设计，可以避免大尺寸金刚石薄膜板制备时的难点，而且在强制水冷条件下，这种阵列式设计可以通过阵列式的传热单元以及传热通道同时进行散热，从而，散热效果明显优于整体覆盖式。而且，还集成设计了光学高反结构，即光学高反层，以全反射结构提升固体激光器的全反射率。另外，通过支撑单元对传热单元进行承力支撑，一方面起到力学支撑的作用，另一方面，还可以进一步增大传热单元的散热面积，有效提升散热效率。附图说明
[0023] 为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024] 图1是本说明书的一个实施例提供的激光散热装置的结构示意图。
[0025] 图2a和图2b是本说明书的一个实施例提供的激光散热装置的三维立体结构示意图。
[0026] 图3是本说明书的一个实施例提供的光学高反层的膜层结构示意图。
[0027] 图4是本说明书的一个实施例提供的激光散热装置的制备流程图。
具体实施方式
[0028] 为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
[0029] 实施例一
[0030] 参照图1所示，为本说明书实施例提供的激光散热装置的结构示意图，同时，结合图2a和图2b所示的立体图可知，该激光散热装置可以包括：
[0031] 衬底101，位于所述衬底101一表面的光学高反层102，其中，所述光学高反层102具有全反射结构；位于所述光学高反层102之上的传热层103，所述传热层103包含多个呈阵列式排布的传热单元1031，相邻传热单元1031之间形成传热通道1032，每个所述传热单元1031之上设置有支撑单元104；所述传热层103通过所述多个传热单元1031将固体激光器产生的热量传导出去，同时，通过阵列式排布形成的传热通道1032将固体激光器产生的热量扩散出去。
[0032] 考虑到现代大功率的固体激光器对于应力的分布有一些技术要求，所以本申请方案为避免集中应力的现象采用了薄膜阵列式设计。这种阵列式结构可以避免大尺寸金刚石薄膜板制备时的难点，而且在强制水冷条件下，这种阵列式设计可以通过阵列式的传热单元以及传热通道同时进行散热，从而，散热效果明显优于整体覆盖式。而且，本申请方案不仅考虑了热沉设计的改进，同时还集成设计了光学高反结构，即光学高反层，以全反射结构提升固体激光器的全反射率。另外，通过支撑单元对传热单元进行承力支撑，一方面起到力学支撑的作用，另一方面，还可以进一步增大传热单元的散热面积，有效提升散热效率。
[0033] 应理解，在上述图1所示的激光散热装置结构中，主要涉及到三个方面的改进设计，分别为力学结构设计、热学结构设计和光学结构设计。其中，在光学结构的设计中，主要考虑在比较宽的波段中设计，而且设计有全反射结构。在热学和力学结构设计中，不仅考虑热传导率在实际应用方面的需求，而且考虑特殊材料的可加工性能。
[0034] 可选地，在本说明书实施例中，所述光学高反层与所述传热层之间还设置有用于辅助结合的铝膜层或导热胶。具体地，可以通过铝膜在传热层与光学高反层的表面形成金属化，有助于光学高反层与传热层的结合，同时，还可以进一步增强反射率。或者，可以通过导热胶进行粘合，以促进光学高反层与传热层之间的有效结合。
[0035] 应理解，在本说明书实施例中，所述光学高反层采用分布式布拉格反射镜设计。具体实现时，考虑到固体激光器散发的热量希望被散热介质全反射，因此，为了增加全反射，可以通过一个具有高反射效率的光学高反层来实现。
[0036] 所述光学高反层可以是采用原子层沉积工艺制备得到的多层薄膜复合得到。其中，该光学高反层由下至上依次包含：金属铝和三个周期的分布式布拉格反射镜，其中一个周期的分布式布拉格反射镜由一层Al2O3和一层TiO2组成。其中，金属铝与衬底接触，分布式布拉格反射镜与传热层接触。
[0037] 参照图3所示，所述光学高反层由下至上依次包含金属铝301，第一分布式布拉格反射镜302，第二分布式布拉格反射镜303，第三分布式布拉格反射镜304；其中，第一分布式布拉格反射镜302、第二分布式布拉格反射镜303和第三分布式布拉格反射镜304可以是相同的膜层结构，均由Al2O3和TiO2膜层组成。
[0038] 在本说明书实施例中，所述光学高反层的膜层厚度可控，以得到不同的全反射率。例如，可以通过原子层沉积工艺ALD控制光学高反层的厚度，使得光学高反层的反射率较佳，进而，保证固体激光器的全反射率达到最好效果。据实验测定，该光学高反层的发射率接近100％。
[0039] 可选地，所述传热层包含金刚石薄膜和/或金刚石复合薄膜，其中，所述金刚石复合薄膜为铜与金刚石以预设比例混合得到，所述预设比例范围为5：5到7：3之间，其中，所述铜为铜粉，所述铜粉为球形，所述铜粉的纯度为99.5％，粒度为300目；所述金刚石为人造金刚石颗粒，所述人造金刚石颗粒的形状不规则，为菱角分明的多边形，粒度为275/325目。应理解，本说明书中复合材料中金刚石含量根据体积百分比来计算。其中，传热层之所以采用金刚石与铜的复合材料，是因为这种材料比起单质铜具有更高的导热效率，并且比起大尺寸金刚石来说更容易制备。这种复合材料也很好地解决了与激光器衬底材料的耦合问题，以减少界面热阻，提升界面热导率。
[0040] 可选地，所述支撑单元的高度范围为6mm±1mm。优选以6mm的高度最佳，一方面起到有力支撑，另一方面可以形成较大散热面积的传热通道，进而提升散热效率。其中，支撑单元的形状可以是圆柱或其它形状的柱状结构。
[0041] 支撑单元形成的传热通道结合传热单元形成的传热通道，可以形成较好的散热结构，通过模拟结果表明这种热沉结构增加了换热效率，被降热材料最高温度能够降低200℃。
[0042] 可选地，所述支撑单元通过焊接工艺或是掩膜光刻工艺设置在所述传热单元之上，以稳定实现支撑单元与传热单元之间有力结合。
[0043] 实施例二
[0044] 下面结合上述激光散热装置的结构介绍该装置的制备方案。参照图4所示，该激光散热装置的制备方法主要包括以下步骤：
[0045] 步骤201：提供一衬底。
[0046] 在本说明书实施例中，所述衬底一般可以是激光晶体，例如，金刚石或是玻璃等材质。
[0047] 步骤202：在所述衬底的一表面形成具有全反射结构的光学高反层。
[0048] 具体可以采用与原子层沉积工艺ALD在衬底的一表面形成分布式布拉格反射镜，这种光学高反层的结构可以达到接近100％的反射率，且可以通过ALD工艺控制膜层厚度以实现不同程度的全反射效果。具体实现时，可以采用ALD依次制备多层薄膜，以形成光学高反层。
[0049] 步骤203：在所述光学高反层之上形成包含多个呈阵列式排布的传热单元的传热层，相邻传热单元之间形成传热通道。
[0050] 其实，在执行步骤203之前，还可以采用溅射的方式在光学高反层之上形成一层铝膜，以加强与后续传热层的表面结合。其中，铝膜也可以采用导热胶替代。
[0051] 步骤204：在所述传热层的每个传热单元之上设置支撑单元。
[0052] 应理解，在形成铝膜之后，可以有以下两种方式形成传热层以及支撑单元；
[0053] 方式一：
[0054] 在铝膜之上设置具有高导热特性的材料层，然后对材料层采用掩膜光刻工艺形成图案化的传热层。其中，图案化的传热层具有阵列式排布的多个传热单元，相邻传热单元之间存在缝隙，形成可以便于散热的传热通道。
[0055] 之后，还需要制作多个支撑单元，支撑单元的材料可以与传热单元的材料相同。
[0056] 最后，将支撑单元直接焊接在传热单元的表面，每个传热单元焊接一个支撑单元，从而，为每个传热单元设置有承力结构，稳定支撑传热层；同时，不需要传热单元直接支撑在水冷环境中，保护传热单元的同时还可以通过支撑单元来增大散热面积。
[0057] 方式二：
[0058] 在铝膜之上设置具有高导热特性的材料层，该方式二中的材料层膜层厚度要厚于方式一中的材料层膜层厚度。然后，采用第一次掩膜光刻工艺形成多个支撑单元，之后，采用第二次掩膜光刻工艺形成阵列式排布的多个传热单元，形成传热层。
[0059] 以上分析，通过方式二制备传热层和支撑单元更容易实现，且能够保证支撑单元与传热单元的材料相同，都具有高导热性；进而，提升散热效果。
[0060] 通过本说明书一个或多个实施例可知，主要通过三个方面的设计对固体激光器散热装置进行改进，分别包括：
[0061] 热学结构设计：采用了直接设置金刚石+热沉结构，并在单侧设置水冷。我们在金刚石上进行了热沉设计，可以形成较多微小的通道进行换热；
[0062] 力学结构设计：采用金刚石薄膜阵列式的设计结构。其中，与石英玻璃直接接触的金刚石，并非为连续的金刚石薄膜。每一个小圆柱与金刚石片独立形成一个阵列单元。这种结构的设计有着比较明显的优点。首先，这样在技术路线中，可以避免需要大尺寸金刚石薄膜板制备的难点。其次，这种设计在强制水冷条件下，散热明显会优于之前的整体覆盖模式；
[0063] 光学结构设计：增加了一个过渡层来增加其全反射，这个过渡层可以采用分布式布拉格反射镜，这种结构的反射率接近100％，并且可以通过ALD工艺控制反射层的厚度，使激光器的全反射率达到最好效果。
[0064] 实施例三
[0065] 同时，本说明书实施例还提供一种固体激光器，该固体激光器可以包括上述任一方案所涉及的激光器散热装置。
[0066] 应理解，该激光器散热装置的衬底可以与固体激光器的激光晶体接触连接，然后，以激光器散热装置的支撑单元作为底部放置在水冷环境中，激光晶体部分在上，散热装置在下，在工作状态下，置于水冷环境中的散热装置工作，一方面实现有效散热，一方面保证较佳的全反射效果。
[0067] 需要说明的是，本说明书实施例中图示所表示的膜层厚度仅作为示例，并不作为限定。
[0068] 还需要说明的是，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、商品或者设备不仅包括那些要素，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、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0069] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
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