CN101707324B - 全风冷散热的双泵浦双晶体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全固态激光器的激光晶体冷却技术，特别是一种全风冷散热的双泵浦双晶体激光器。其包含风冷散热装置、第一、第二激光晶体、第一、第二激光晶体夹具和带有散热出口的壳体，其中，所述的第一激光晶体夹具和第二激光晶体夹具上设有用于夹持激光晶体的安置槽孔，其特征在于所述的安置槽孔纵向剖面为菱形，菱形对角线与放置在安置槽孔上的激光晶体的C轴一致，激光晶体外形与安置槽孔相匹配。其目的是为了设计一种散热效果好、长时间工作稳定、可靠的全风冷散热的双泵浦双晶体激光器。与现有技术相比，具有整机功耗低，输出光束质量好，散热速度快，整机器件结构紧凑等优点。

Description

全风冷散热的双泵浦双晶体激光器

技术领域

本发明涉及全固态激光器的激光晶体冷却技术，特别是一种全风冷散热的双泵浦双晶体激光器。

背景技术

全固态激光器中对激光晶体冷却方式大体可分为三种方式：“液冷、半导体制冷、风冷传导散热”。

液冷可以通过控制液体温度和流量来达到较好的冷却效果。但是液冷体积大，功率耗高，不适合现代工业节能减排的大趋势。

半导体(TEC)制冷需要在半导体制冷片基础上加散热片风扇制冷的方式，这种方式制冷温度精度控制的较好，但要增加温控电路等相关设备，增加了激光器整体体积，并且半导体制冷所用的半导体制冷片可使用时间较短，长时间使用半导体制冷片易损坏，不适合工业产品的实际应用。

水冷和半导体制冷的方式一般制冷温度低于室温，在实际使用中常常会使晶体表面局部温度低于室温，遇空气中的冷空气易结雾，在激光器运行时容易损坏晶体表面，缩减激光器使用寿命。另外在端面泵浦激光器中，由于各种制冷方式的局限性，只能依赖侧面制冷，激光晶体沿激光运行垂直的切面上中间到边缘有较高的温度差，随之而引起的热透镜效应使激光束输出光模式变差。

全风冷散热工业激光器的优点是结构简单，运行稳定，使用寿命长，特别适用于较差环境下的长时间运行，高稳定使用。并且全风冷散热方式可以减小激光棒沿光路垂直方向切面中间到边缘的温度差，减轻热透镜效应对激光输出光束带来的不利影响，进而改善激光器光束输出质量。

但常规的风冷散热与液冷、半导体制冷的散热方式对比其散热能力一般较差，如果要精确控制其散热物体在常温下运行，相对较难。

目前，使用在端面泵浦激光器上的激光晶体，通常为Nd:YVO4，也可以是Nd:GdVO4或Nd:YLF等晶体。这些晶体具有偏振吸收，偏振发射等特点。也就是a轴切割的激光晶体对π偏振泵浦光的吸收系数远大于对σ偏振泵浦光的吸收系数，因此，为了充分利用泵浦光能量，通常采用π偏振方式泵浦。因此，一般晶体制作时都采用a轴切割“c轴与激光器壳体底面平行”方式使用，但此时的晶体夹具设计时只能采用激光晶体上、下接触面作为两个夹持面的方式夹持晶体，与底面相垂直的晶体两个侧面无散热功能，散热效果差。如果直接将纵向剖面形状为正方形的激光晶体旋转45°，将激光晶体的四个面作为夹持面，使激光晶体的四个面同时散热，但激光晶体的c轴同时亦随即偏转45°，而泵浦光偏振方向没法改变，这就违背了其偏振吸收的要求，使得激光晶体不能充分吸收，泵浦光热量得转化增加，进而激光器输出功率减小，输出光束质量变差；激光器输出的激光束也是偏振光，如采用此法，在需要脉冲输出的场合，相应调Q器件也要相应旋转45°放置，才可以锁住激光，正常运转，而45°放置的调Q器件在长期使用稳定性会很差，与底面呈45°放置的调Q器件容易产生微小的漂移，进而影响锁光效果。

发明内容

本发明的目的是设计一种散热效果好、长时间工作稳定、可靠的全风冷散热的双泵浦双晶体激光器。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术解决方案：一种全风冷散热的双泵浦双晶体激光器，其包含风冷散热装置、第一激光晶体、第二激光晶体、第一激光晶体夹具、第二激光晶体夹具和带有散热出口的壳体，其中，风冷散热装置主要由风扇和散热片组成，所述的第一激光晶体夹具和第二激光晶体夹具上设有用于夹持激光晶体的安置槽孔，所述的第一激光晶体夹具和第二激光晶体夹具固定在散热片上，其特征在于所述的安置槽孔纵向剖面为菱形，菱形对角线与放置在安置槽孔上的激光晶体的C轴一致，激光晶体外形与安置槽孔相匹配。

所述的第一激光晶体和第二激光晶体的纵向剖面为菱形，所述的第一激光晶体和第二激光晶体的C轴与自身纵向剖面的菱形对角线一致且竖直向上。

所述的安置槽孔出口横切面呈喇叭形状。

所述的喇叭形状由若干不同半径、半径逐渐增大的圆形孔构成。

由于在保证激光晶体c轴不变的情况下，将激光晶体夹持面旋转一定角度，使激光晶体的四个面都能被夹具作为夹持面，它即保证了激光晶体的偏振吸收，偏振发射，又使激光晶体与夹具的接触面得到最大，保证激光晶体四个侧面同时散热，大大的改善了对激光晶体的散热效果。

附图说明

图1本实施例的外形结构图。

图2为图1中沿A-A剖面图。

图3为激光晶体夹具的立体结构图。

图4为现有激光晶体的结构图。

图5为本实施例激光晶体的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本实施例包含风冷散热装置6、7、第一激光晶体2、第二激光晶体3、第一激光晶体夹具1、第二激光晶体夹具5和带有散热出口的壳体4，其中：

风冷散热装置主要由风扇7和散热片6组成，所述的第一激光晶体夹具1和第二激光晶体夹具5固定在散热片6上。

如图3所示，所述的第一激光晶体夹具1和第二激光晶体夹具5上设有用于夹持激光晶体的安置槽孔8，所述的安置槽孔8纵向剖面为菱形，菱形对角线与放置在安置槽孔8上的激光晶体的C轴一致，激光晶体外形与安置槽孔相匹配；如图5所示，所述的第一激光晶体2和第二激光晶体3的纵向剖面也为菱形，所述的第一激光晶体2和第二激光晶体3的C轴与自身纵向剖面的菱形对角线一致且竖直向上，并与激光器壳体底面垂直。

再如图2所示，所述的第一激光晶体2和第二激光晶体3分别夹持在所述的第一激光晶体夹具1和第二激光晶体夹具5的安置槽孔8上。因此，所述的第一激光晶体2和第二激光晶体3与相应激光晶体夹具安装配合后，在保证激光晶体c轴方向不变的情况下，激光晶体的四个面都能被激光晶体夹具作为夹持面。

再如图3所示，所述的安置槽孔8出口横切面呈喇叭形状，所述的喇叭形状由若干不同半径、半径逐渐增大的圆形孔9构成。该结构设计扩展了激光晶体通光方向的横向体积，这样做的好处，既可以扩展激光晶体与激光晶体夹具之间的散热空间，增大热容，又可以保证激光晶体在突然升温等意外情况下，激光晶体夹具有能力迅速将热量带走，对激光晶体有可能产生的意外情况有一定的保护作用。

此外，激光晶体夹具由上、下两个金属夹具构成，制作晶体夹具的材料一般为紫铜等高热传导金属，上、下两个金属夹具必须紧密相接触，两者之间的热阻相对于它们高的导热率来说可以忽略，上、下两个金属夹之间用精密加工的定位固定销将其两者精密结合在一起，以减轻对晶体的不均匀压力，防止金属主体和金属压板将晶体损伤甚至压断。

工作时，激光晶体产生的热能以热传导方式通过激光晶体的四个接触面传导到晶体夹具上，晶体夹具再将热传导到激光器外壳的底板上，传导出的热量由激光器外壳下部的风扇直接吹底板下方的散热片，将热量最终带出激光器，传到周围空气中，已达到对激光晶体的有效冷却。

由于在保证激光晶体c轴不变的情况下，将激光晶体夹持面旋转一定角度，使激光晶体的四个面都能被夹具作为夹持面，它即保证了激光晶体的偏振吸收，偏振发射，又使激光晶体与夹具的接触面得到最大，保证激光晶体四个侧面同时散热，大大的改善了对激光晶体的散热效果。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、整机功耗低。由于采用全风冷结构，避免了水冷等其他制冷方式带来的额外损耗。

2、长时间功率稳定。采用独特的四侧面散热方式，及时的将激光晶体产生的热量带出激光器外面的空间，使激光器在常温下长时间稳定运行。

3、输出光束质量好。全风冷散热方式可以减小激光棒沿光路垂直方向切面中间到边缘的温度差，减轻热透镜效应对激光输出光束带来的不利影响，进而改善激光器光束输出质量。

4、散热速度快。采用喇叭状晶体散热夹具，增大散热器传导散热的热容，防止激光器意外情况下，如突然断电，晶体内的热量不能及时散出去，而损坏晶体。

5、整机器件结构紧凑。采用全风冷散热结构，避免了由于其他散热方式带来的整机体积的增加。

Claims (2)

1.一种全风冷散热的双泵浦双晶体激光器，其包含风冷散热装置(6、7)、第一激光晶体(2)、第二激光晶体(3)、第一激光晶体夹具(1)、第二激光晶体夹具(5)和带有散热出口的壳体(4)，其中，风冷散热装置主要由风扇(7)和散热片(6)组成，所述的第一激光晶体夹具(1)和第二激光晶体夹具(5)上设有用于夹持激光晶体的安置槽孔(8)，所述的第一激光晶体夹具(1)和第二激光晶体夹具(5)固定在散热片(6)上，所述的安置槽孔(8)纵向剖面为菱形，菱形对角线与放置在安置槽孔(8)上的激光晶体的C轴一致，所述的第一和第二激光晶体外形与安置槽孔(8)相匹配，其特征在于所述的安置槽孔(8)出口横切面呈喇叭形状。

2.根据权利要求1所述的全风冷散热的双泵浦双晶体激光器，其特征在于所述的喇叭形状由若干不同半径、半径逐渐增大的圆形孔(9)构成。

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