Теплоотводящий элемент дискового лазера
HEAT REMOVAL ELEMENT OF A DISK LASER

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в лазерах высокой мощности.
Дисковые лазеры обладают высокой мощностью и востребованы во многих отраслях техники. Активным элементом лазера является лазерный кристалл в виде диска, соединенный с теплоотводящим элементом. Теплоотводящий элемент обеспечивает отвод тепла от лазерного кристалла и изготавливается из материала с высокой теплопроводностью.
Известен теплоотводящий элемент дискового лазера в виде пластины, выполненной из меди и обеспечивающей передачу потока тепла от зафиксированного на теплоотводящем элементе лазерного кристалла к охладителю, подведенному к обратной стороне пластины (Кузнецов И.И. Лазеры с высокой средней мощностью на основе Y:YAG элементов перспективных геометрий - дисс…канд. физ.-мат.наук, Нижний Новгород, 2016, стр. 32).
Недостатком известного технического решения является недостаточно высокая теплопроводность и жесткость (небольшой модуль упругости материала) теплоотводящего элемента. Жесткость теплоотводящего элемента необходима для предотвращения деформаций лазерного кристалла при внешних нагрузках.
Известен дисковый лазер, описанный в патенте CN 107887789, теплоотводящий элемент в котором построен из двух сопряженных плоскостями пластин, верхняя из которых (примыкающая к активному кристаллу лазера) толщиной 200 - 500 мкм выполнена из полупроводникового материала (GaSb) и имеет каналы, ориентированные вдоль и поперек оси пластины и частично заполненные легкокипящей жидкостью. Нижняя пластина сплошная и выполнена из высокотеплопроводного материала (алмаза или карбида кремния). Описанный теплоотводящий элемент принят в качестве ближайшего аналога.
Недостатком известного технического решения является сложность его конструкции, а, следовательно, связанные с этим высокую трудоемкость изготовления и пониженную надежность, а также недостаточно высокую эффективность теплоотвода.
Задачей изобретения является теплоотводящий элемент, обеспечивающий повышение эффективности теплоотвода от лазерного кристалла дискового лазера.
Технический результат достигается за счет того, что теплоотводящий элемент дискового лазера в виде пластины выполнен из композиционного материала, содержащего алмаз 55 - 75% об, карбид кремния 20 - 40% об. и кремний 3 - 12% об., а на одной из поверхностей пластины нанесен слой кремния толщиной 30 - 800 мкм.
При содержании в композиционном материале алмаза менее 55% об. и содержании кремния более 12% об. теплопроводность композиционного материала ниже, чем теплопроводность меди, что не обеспечивает преимущества предлагаемого теплоотводящего элемента. Получение материала с содержанием алмаза более 75% об. и с содержанием кремния менее 3% об. технологически сложно. Из-за относительно большой шероховатости пластины из композиционно материала, слой кремния толщиной менее 30 мкм не обеспечивает получение ровной плоской поверхности на теплоотводящем элементе, которая необходима для его последующего сопряжения с лазерным кристаллом. Слой кремния толщиной более 800 мкм существенно снижает теплопередачу через теплоотводящий элемент.
Предпочтительно для некоторых применений, чтобы пластина теплоотводящего элемента дискового лазера выполнена разнотолщинной.
Предпочтительно для некоторых применений, чтобы слой кремния нанесен на часть пластины теплоотводящего элемента.
Предпочтительно, чтобы на стороне, противоположной стороне с нанесенным слоем кремния, выполнен рельеф в виде углублений.
Предпочтительно, чтобы слой кремния теплоотводящего элемента отшлифован до чистоты поверхности Ra не менее 0,01 мкм.
Предлагаемое техническое решение поясняется следующей фигурой.
Фиг. 1 Теплоотводящий элемент дискового лазера (схематическое изображение).
На фиг. 1 показаны:
поз. 1 - пластина из композиционного материала (показана разнотолщинная пластина),
поз. 2 - слой кремния.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.
Теплоотводящий элемент выполнен в виде пластины, изготовленной из композиционного материала, состоящего из алмаза, карбида кремния и кремния. Структура материала пластины сформирована из алмазных частиц, связанных в единый композит связкой, состоящей из карбида кремния и кремния. Размер алмазных частиц может быть различным от единиц до сотен микрометров. Сочетание фаз в указанных в формуле изобретения соотношениях обеспечивает композиционному материалу высокий коэффициент теплопроводности (от 400 до 600 Вт/(м⋅К)). Тем самым, предлагаемая конструкция теплоотводящего элемента способна отвести большой тепловой поток от лазерного кристалла. Кроме того, как показали испытания, материал теплоотводящего элемента имеет большой модуль упругости (до 800 ГПа). Повышенная жесткость материала и теплоотводящего элемента в целом, важна для повышения устойчивости его формы к деформациям, а, следовательно, для повышения эффективности дискового лазера.
Пластина теплоотводящего элемента может быть выполнена разнотолщинной, например, как это показано на фиг. 1: толщина центральной части больше, чем толщина внешней части. Такая конфигурация пластины может быть использована, например, для удобного закрепления теплоотводящего элемента в системе охлаждения.
Одна из поверхностей пластины теплоотводящего элемента покрыта слоем кремния. Покрытие позволяет произвести шлифование поверхности теплоотводящего элемента, так как высокая твердость композиционного материала, обеспеченная содержанием алмаза в нем, крайне затрудняет механическую обработку поверхности композиционного материала. Кремниевое покрытие, за счет его малой толщины (от 30 до 800 мкм), не вносит существенного вклада в тепловое сопротивление теплоотводящего элемента. Шлифование кремниевого покрытия предпочтительно выполнить до низкой шероховатости, что обеспечит в дальнейшем более хороший отвод тепла от лазерного кристалла за счет лучшего теплового контакта на поверхности раздела лазерный кристалл - теплоотводящий элемент.
Слой кремния может покрывать всю поверхность пластины или ее часть, как это показано на фиг. 1.
Предпочтительно, чтобы на стороне пластины теплоотводящего элемента, противоположной стороне пластины с нанесенным слоем кремния, (т.е. на стороне, контактирующей с теплоносителем-охладителем) выполнен рельеф в виде углублений. Такие углубления могут иметь различный профиль, например пазы, пирамидальные углубления и др. Наличие углублений увеличивает площадь поверхности элемента, контактирующую с охладителем, и тем самым позволяет увеличить теплопередачу от теплоотводящего элемента к теплоносителю-охладителю.
На поверхности теплоотводящего элемента, имеющей покрытие из кремния, в дальнейшем фиксируют лазерный кристалл, а сам теплоотводящий элемент устанавливают в систему охлаждения таким образом, чтобы противоположная сторона пластины теплоотводящего элемента омывалась охладителем (теплоносителем).
Таким образом, реализация предлагаемого технического решения позволяет создать теплоотводящий элемент дискового лазера, обеспечивающий эффективную теплопередачу от лазерного кристалла к теплоносителю-охладителю. Кроме того, высокая жесткость теплоотводящего элемента, за счет высокого модуля упругости композиционного материала пластины, обеспечивает его устойчивость к деформациям, что важно для повышения эффективности дискового лазера.