本發(fā)明涉及增益介質(zhì)模塊封裝工藝，特別涉及一種激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法。

背景技術：

高功率固體激光器在軍事、醫(yī)療、科研、工業(yè)加工等領域具有廣泛的應用，為了獲得高功率、高質(zhì)量的激光輸出，在固體激光器工作過程中必須對激光介質(zhì)進行散熱。傳統(tǒng)的固體激光器采用棒狀激光介質(zhì)，由于冷卻過程中工作介質(zhì)在徑向存在較大的溫度梯度，由此帶來了嚴重的熱透鏡效應，導致激光器輸出功率和光束質(zhì)量下降，嚴重地還會造成激光介質(zhì)的破壞。板條結(jié)構激光介質(zhì)可以讓光束在激光晶體內(nèi)呈“之”形傳輸，泵浦和冷卻結(jié)構設計可以保證激光介質(zhì)板條只有一維熱流，熱效被之字形光路補償，大大提高固體激光器的平均輸出功率，改善光束質(zhì)量。

固體激光器的激光板條封裝一般采用銦、金錫合金等軟焊料實現(xiàn)。傳統(tǒng)的銦焊接工藝，在熱焊過程中，一方面，當焊料熔化時，由于重力作用，上熱沉快速下壓到激光板條上表面，將熔融的銦焊料無規(guī)律地從激光板條和熱沉之間流出，使焊接層的銦厚度不均勻，致使固體激光板條模塊散熱不均勻，還使得銦層達不到期望厚度，削弱了激光模塊動態(tài)工作時的應力緩沖能力；另一方面，熱沉上的銦層與板條之間部分接觸，銦層與板條之間包圍的空氣無法排出去，銦層熔化后，當熔融的銦冷卻后，空氣留在焊接層形成了孔洞，導致固體激光板條模塊散熱不均勻，嚴重影響固體激光板條模塊的光束質(zhì)量。這兩種情況對于大尺寸(≥100mm²)的晶體板條和熱沉的雙面焊接更為明顯。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中激光板條與熱沉之間的銦層厚度不均勻及焊接銦層中出現(xiàn)大孔洞(直徑＞1mm)的問題，本發(fā)明提供了一種激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法及裝置。

本發(fā)明提供了一種激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法，包括形成焊接體的步驟和焊接步驟：

形成焊接體的步驟包括：將薄片分別貼放在上熱沉下表面和下熱沉上表面鍍銦層邊緣的表面上，在焊接架上自下而上依次放置下熱沉、銦柱、激光板條、銦柱和上熱沉組成焊接體或者；其中，所述薄片的厚度小于鍍銦層的厚度；

焊接步驟包括：將焊接體放入真空焊接爐中，對真空焊接爐抽真空，升溫至預設焊接溫度后保持一定時間，冷卻至室溫。

本發(fā)明有益效果如下：

通過在鍍銦層邊緣的熱沉表面貼放薄片、以及在熱沉和激光板條之間放置銦柱，解決了現(xiàn)有技術中激光板條與熱沉之間的銦層厚度不均勻及焊接銦層中出現(xiàn)大孔洞(直徑＞1mm)的問題，不僅能夠使焊接后的激光板條和熱沉之間具有均勻的銦層厚度，還能夠大大減少激光板條和熱沉之間大尺寸孔洞的產(chǎn)生，提高了固體激光模塊的散熱效果，從而提高了激光模塊的光束質(zhì)量。本發(fā)明成本低、易于操作及實現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法實施例的激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明方法實施例焊接體的結(jié)構示意圖；

圖中，1、2、3、4均為側(cè)板，5為上熱沉，6、8均為鍍銦層，7為激光板條，9為下熱沉，10為底板，11、12均為銦柱，13、14、15、16均為螺釘。

具體實施方式

為了解決現(xiàn)有技術中激光板條與熱沉之間的銦層厚度不均勻及焊接銦層中出現(xiàn)大孔洞(直徑＞1mm)的問題，本發(fā)明提供了一種激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法及裝置，以下結(jié)合附圖以及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的方法實施例，提供了一種激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法，圖1是本發(fā)明方法實施例的激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法的流程圖，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明方法實施例的激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法包括包括形成焊接體的步驟S101和焊接步驟S102：

具體的，形成焊接體的步驟S101包括：將薄片分別貼放在上熱沉下表面和下熱沉上表面鍍銦層邊緣的表面上，在焊接架上自下而上依次放置下熱沉、銦柱、激光板條、銦柱、和上熱沉組成焊接體或者；其中，所述薄片的厚度小于鍍銦層的厚度。圖2為本發(fā)明方法實施例焊接體的結(jié)構示意圖。

作為形成焊接體的步驟的替代技術方案，形成焊接體的步驟還可以包括：將薄片分別貼放在上熱沉下表面和下熱沉上表面鍍銦層邊緣的表面上，自下而上依次放置下熱沉、銦柱、激光板條、銦柱、和上熱沉組成板體組合，將所述板體組合放入焊接架上組成焊接體，其中，所述薄片的厚度小于鍍銦層的厚度。

具體的，所述薄片的厚度為15～100μm，選取鎳薄片、銅薄片、鋁合金薄片中的一種。

所述銦柱的高度為25～200μm，在下熱沉的上表面與激光板條之間、上熱沉的下表面與激光板條之間至少使用3個銦柱，這樣可以形成一個穩(wěn)定的平面，避免激光板條在焊接過程中滑動。

所述焊接架采用紫銅、鋁合金等材料，焊接架主要由1個底板和8個側(cè)板組成，通過螺釘將底板和側(cè)板固定。

焊接步驟S102包括：將焊接體放入真空焊接爐中，對真空焊接爐抽真空，升溫至預設焊接溫度后保持一定時間，冷卻至室溫。

具體的，焊接前對真空焊接爐抽真空至6×10^-3～8×10^-4Pa；所述預設焊接溫度為180℃～280℃，所述一定時間為5～10分鐘。

更加具體的，在形成焊接體的步驟S101之前還包括以下步驟：

在激光板條表面鍍上光學膜和金屬膜；

在上熱沉的下表面和下熱沉的上表面鍍金后，表面通過蒸鍍得到鍍銦層，所述鍍銦層的表面積小于所述激光板條的表面積。

具體的，所述激光板條選取Nd:YAG晶體板條、Yb:YAG晶體板條、Nd:YVO₄晶體板條、Nd:GdVO₄晶體板條、Nd:YLF晶體板條、Yb:YLF晶體板條或YAG激光陶瓷板條中的一種。激光板條的尺寸為：厚度1～3mm，寬度5～50mm，長度10～200mm，激光板條與熱沉相對的表面需要達到以下要求：清潔度≤0.1mg/cm²，平面度≤0.5λ，λ＝632.8nm，光潔度≤40/20。

具體的，所述光學膜為厚度為二氧化硅膜，厚度為2～5μm；所述金屬膜為鈦鉑金膜，更加具體的，包括依次鋪設的鈦膜、鉑膜和金膜，其中鈦膜厚度為100～300nm，鉑膜厚度為100～500nm，金膜厚度為300～800nm。

具體的，選擇內(nèi)部具有微通道水冷結(jié)構的紫銅熱沉作為上熱沉和下熱沉，其表面金膜厚度為300～800nm。激光板條與熱沉相對的表面(即上熱沉的下表面和下熱沉的上表面)需要達到以下要求：清潔度≤0.1mg/cm²，平面度≤0.5λ，λ＝632.8nm，光潔度≤40/20。所述鍍銦層的厚度為20～150μm，面積略小于激光板條尺寸。

為了更加詳細的說明本發(fā)明的方法實施例，給出實例1～實例4。

實例1

實例1中激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法包括以下步驟：

(1)在激光板條表面鍍上光學膜和金屬膜，所述激光板條為Nd:YAG晶體板條，尺寸為3mm×40mm×140mm，在Nd:YAG晶體板條上依次鍍上4μm二氧化硅膜、300nm的鈦膜，200nm的鉑膜，800nm的金膜；

(2)選擇內(nèi)部具有微通道水冷結(jié)構的紫銅熱沉作為上熱沉和下熱沉，在上熱沉的下表面和下熱沉的上表面鍍500nm金后，表面通過蒸鍍得到厚度為120μm、面積為38mm×120mm的鍍銦層；

(3)將厚度為80μm的鋁合金薄片貼放在鍍銦層邊緣的熱沉表面上，所述薄片的厚度小于鍍銦層的厚度；自下而上依次放置下熱沉、3個高為120μm銦柱、Nd:YAG晶體板條、3個高為120μm銦柱、和上熱沉，將所述上熱沉和下熱沉放入焊接架中，組成焊接體；

(4)將焊接體放入真空焊接爐中，將真空焊接爐抽真空至8×10^-4Pa，焊接溫度為270℃，并保溫8分鐘后，關掉加熱電源，真空狀態(tài)下冷卻至室溫，焊接過程結(jié)束。

實例2

實例2中激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法包括以下步驟：

(1)在激光板條表面鍍上光學膜和金屬膜，所述激光板條為Yb:YAG晶體板條，尺寸為1.3mm×10mm×50mm，在Yb:YAG晶體板條上依次鍍上3μm二氧化硅膜、100nm的鈦膜，200nm的鉑膜，500nm的金膜；

(2)選擇內(nèi)部具有微通道水冷結(jié)構的紫銅熱沉作為上熱沉和下熱沉，在上熱沉的下表面和下熱沉的上表面鍍500nm金后，表面通過蒸鍍得到厚度為100μm、面積為9mm×46mm的鍍銦層；

(3)將厚度為60μm的鎳薄片貼放在鍍銦層邊緣的熱沉表面上，所述薄片的厚度小于鍍銦層的厚度；自下而上依次放置下熱沉、3個高為120μm銦柱、Yb:YAG晶體板條、3個高為120μm銦柱、和上熱沉，將所述上熱沉和下熱沉放入焊接架中，組成焊接體；

(4)將焊接體放入真空焊接爐中，將真空焊接爐抽真空至3×10^-4Pa，焊接溫度為220℃，并保溫5分鐘后，關掉加熱電源，真空狀態(tài)下冷卻至室溫，焊接過程結(jié)束。

實例3

實例3中激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法包括以下步驟：

(1)在激光板條表面鍍上光學膜和金屬膜，所述激光板條為Nd:YVO₄晶體板條，尺寸為1mm×10mm×14mm，在Nd:YVO₄晶體板條上依次鍍上2μm二氧化硅膜、100nm的鈦膜，100nm的鉑膜(改為定值)，400nm的金膜；

(2)選擇內(nèi)部具有微通道水冷結(jié)構的紫銅熱沉作為上熱沉和下熱沉，在上熱沉的下表面和下熱沉的上表面鍍400nm金后，表面通過蒸鍍得到厚度為80μm、面積為9mm×12mm的鍍銦層；

(3)將厚度為50μm的鎳薄片貼放在鍍銦層邊緣的熱沉表面上，所述薄片的厚度小于鍍銦層的厚度；自下而上依次放置下熱沉、3個高為120μm銦柱、Nd:YVO₄晶體板條、3個高為120μm銦柱、和上熱沉，將所述上熱沉和下熱沉放入焊接架中，組成焊接體；

(4)將焊接體放入真空焊接爐中，將真空焊接爐抽真空至5×10^-4Pa，焊接溫度為190℃，并保溫5分鐘后，關掉加熱電源，真空狀態(tài)下冷卻至室溫，焊接過程結(jié)束。

實例4

實例4中激光板條和熱沉雙面接合的焊接方法包括以下步驟：

(1)在激光板條表面鍍上光學膜和金屬膜，所述激光板條為YAG激光陶瓷板條，尺寸為2mm×15mm×80mm，在YAG激光陶瓷板條上依次鍍上5μm二氧化硅膜、200nm的鈦膜，300nm的鉑膜(改為定值)，500nm的金膜；

(2)選擇內(nèi)部具有微通道水冷結(jié)構的紫銅熱沉作為上熱沉和下熱沉，在上熱沉的下表面和下熱沉的上表面鍍500nm金后，表面通過蒸鍍得到厚度為120μm、面積為14mm×76mm的鍍銦層；

(3)將厚度為80μm的銅薄片貼放在鍍銦層邊緣的熱沉表面上，所述薄片的厚度小于鍍銦層的厚度；自下而上依次放置下熱沉、3個高為120μm銦柱、YAG激光陶瓷板條、3個高為120μm銦柱、和上熱沉，將所述上熱沉和下熱沉放入焊接架中，組成焊接體；

(4)將焊接體放入真空焊接爐中，將真空焊接爐抽真空至9×10^-4Pa，焊接溫度為250℃，并保溫5分鐘后，關掉加熱電源，真空狀態(tài)下冷卻至室溫，焊接過程結(jié)束。

在實例1～實例4中，實例3的效果最好。

本發(fā)明方法實施例通過在鍍銦層邊緣的熱沉表面貼放薄片、以及在熱沉和激光板條之間放置銦柱，解決了現(xiàn)有技術中激光板條與熱沉之間的銦層厚度不均勻及焊接銦層中出現(xiàn)大孔洞(直徑＞1mm)的問題，不僅能夠使焊接后的激光板條和熱沉之間具有均勻的銦層厚度，還能夠大大減少激光板條和熱沉之間大尺寸孔洞的產(chǎn)生，提高了固體激光模塊的散熱效果，從而提高了激光模塊的光束質(zhì)量。本發(fā)明成本低、易于操作及實現(xiàn)。

顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。