高功率碟片激光器散热新宠——“热量杀手”金刚石热沉片

在碟片激光器的设计中，一个至关重要的挑战就是如何有效地解决圆盘增益晶体的散热问题，因为这对于激光器的整体性能有着至关重要的影响。因此科学家们创造性地采用了被誉为“热量杀手”的金刚石材料，将其制作成热沉，以期解决碟片激光器的散热难题。

高功率碟片激光器功率提升的关键限制因素是激光晶体的废热管理。在碟片激光器以高功率和大能量运行时，随着输出功率的增加，晶体轴向的温差会逐渐扩大，最终可能导致由热应力引起的晶体物理损伤。目前，通过热沉迅速导出晶体内部的废热是一种极为高效和成熟的解决方案。所以在碟片激光器输出功率越来越高的情况下，激光晶体对热沉的要求也越来越高。

传统的热沉材料多以铜或紫铜为主，其设计方式也主要集中在铜热沉和金刚石散热片与铜热沉的结合上。但是这样的方法面临几个方面的问题。首先，铜材料的热导率相对较低，随着激光器输出功率的不断提升，激光晶体产生的废热也在持续增加，传统的铜等金属材料作为热沉已难以满足高效散热的需求。其次，铜材料的硬度小，对于像YLF莫氏硬度在5左右的偏软的晶体，需要高硬度材料起到支撑晶体，减弱其形变的作用。最后，铜等金属材料的热膨胀系数较大，在导热过程中，热沉的热应力形变对激光晶体会造成较大影响。因此，寻找新型的热沉材料和设计方法已成为提高碟片激光器性能的关键。

与金属材料相比，金刚石展现出了显著的优势，尤其是它在热导率、硬度和热膨胀系数方面的卓越性能。以广泛应用的铜热沉为例，铜的热导率在400W/(m·K)左右，莫氏硬度是3，热膨胀系数是16.7×10^-6/°C（20°C）左右；而金刚石材料热导率1000-2000W/(m·K)，莫氏硬度是10，热膨胀系数是0.9×10^-6/°C（20°C）左右，可以看到金刚石材料不论是热导率、硬度还是热膨胀系数均有更优秀的数值。

对于高功率碟片激光器散热问题，金刚石热沉片的超高热导率可以实现高效散热。凯发k8国际，是国内知名的专注于金刚石宽禁带材料的研发、生产和销售的高科技公司，其生产的晶圆级金刚石Ra<1nm，金刚石热沉片热导率1000-2200W/m·K，为广大客户提供最全金刚石热管理解决方案。目前，采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信，在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料也都有应用。