CN101916958A - 一种固体激光器倍频晶体的恒温控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体激光器倍频晶体的恒温控制装置，包括温控仪，温控仪通过制冷控制信号和制热控制信号与功率驱动电路的输入端连接，功率驱动电路的输出端通过驱动电流线和夹具装置中的半导体制冷片连接。通光窗口用于放置倍频晶体，在夹具装置中设置有冷却水道。本发明能在15～100℃内实现±0.1℃的精确稳定控温，且具有易实现、易操作的特点。在高精度高稳定控温下，倍频晶体通过温度与相位的匹配，达到最佳倍频转换效率。温控仪还可以通过RS485接口与计算机互连，实现固体激光器倍频晶体温度的计算机远程控制与参数管理。

Description

一种固体激光器倍频晶体的恒温控制装置

技术领域

本发明属于一种恒温控制装置，具体涉及一种固体激光器倍频晶体的恒温控制装置。

背景技术

在激光技术应用领域，固体激光器被广泛应用在科研、生产、医疗等方面，因此固体激光器激光输出的可靠性、稳定性也就显得格外重要。倍频晶体是固体激光器中的重要组成部分，它的主要功能是采用腔内倍频方式提高激光器基频光功率密度，从而提高激光的转换效率。由于固体激光器的基频光谱线与倍频晶体的相位匹配对温度十分敏感，其温度变化将严重影响着整个固体激光器的性能。因此，精确稳定的倍频晶体温度控制装置对整个激光器的品质是非常关键的。

目前使用的固体激光器，其中的倍频晶体温度控制采用水冷方式进行冷却。由于水冷通道受环境温度和光功率变化影响，又由于水的热容性较大，因此很难做到倍频晶体精确的温度控制。这种采用水冷进行冷却倍频晶体的方式，常常使倍频晶体的温度波动在±1℃内。倍频晶体的温度波动将导致晶体内晶体的折射率频繁发生变化，直接影响固体激光器的基频光谱线与倍频晶体的相位匹配，从而不仅降低了激光器的输出光束质量，还影响倍频晶体的倍频效率，最终导致固体激光器激光功率上不了水平、光品质达不到试验系统的要求，严重影响实验工作。

发明内容

本发明是为了克服现有技术存在的缺点而提出的，其目的是提供一种为了提高固体激光器倍频晶体与基频光的相位匹配，从而提高晶体的倍频效率的固体激光器倍频晶体的恒温控制装置。

本发明的技术方案是：一种固体激光器倍频晶体的恒温控制装置，包括计算机、计算机通过RS485电信号和温控仪连接，温控仪通过制冷控制信号和制热控制信号和功率驱动电路的输入端连接，功率驱动电路的输出端通过驱动电流线和夹具装置中的半导体制冷片连接。

所述的功率驱动电路采用四支N沟道功率驱动快速开关管组成二个桥臂，所述的夹具装置的上下两侧由热交换夹紧板组成，其左右两侧由树脂夹板组成，在中部空间设置有导热紫铜夹具，在导热紫铜夹具的上下两端各形成一个凹陷槽，在凹陷槽内设置有半导体制冷片，在导热紫铜夹的中间设置有通光窗口，在通光窗口内设置有固体激光器的倍频晶体，在夹具装置中还设置有热电偶，在热交换夹紧板的一端设置有冷却水入口和冷却水出口。

温控仪采用富士温度控制仪表。功率驱动电路采用的功率驱动快速开关型MOSFET管的型号为IRF540NPBF。半导体制冷片的型号为TEC1-12715-HTS。

本发明能在15～100℃内实现±0.1℃的精确稳定控温，且具有易实现、易操作的特点。在高精度高稳定性控温下，固体激光器倍频晶体通过温度与相位的匹配，能达到固体激光最佳倍频转换效率。由于温控仪具有RS485通讯接口，可与远程计算机互连，实现固体激光器倍频晶体温度的计算机远程检测与控制。

附图说明

图1是本发明的固体激光器倍频晶体的恒温控制装置的工作原理图；

图2是本发明的夹具装置的主视图；

图3是本发明的夹具装置的右视图；

图4是本发明的夹具装置的俯视图。

其中：

1计算机             2温控仪

3功率驱动电路       4夹具装置

5RS485电信号        6制冷控制信号

7制热控制信号       8热电偶电信号

9驱动电流线         10冷却水入口接管

11冷却水出口接管    12半导体制冷片

13通光窗口          14倍频晶体

15热电偶            16冷却水管

20热交换夹紧板      21薄铜片

22树脂夹板          23导热紫铜夹具

24冷却水入口        25冷却水出口

26螺钉

具体实施方式

下面参照附图和实施例对本发明的固体激光器倍频晶体的恒温控制装置进行详细说明：

如图1所示，一种固体激光器倍频晶体的恒温控制装置，包括计算机1、计算机1通过RS485电信号5和温控仪2连接，温控仪2通过制冷控制信号6和制热控制信号7与功率驱动电路3的输入端连接，功率驱动电路3的输出端通过驱动电流线9和夹具装置4中的半导体制冷片12连接。

其中，温控仪2采用富士温度控制仪表，通过温度PID控制后，输出基于时间间隔的电压脉冲信号，该信号分加热和制冷两路输出，并实现自动换向，用于驱动功率驱动电路3。

其中，功率驱动电路3的电路连接如下：

功率驱动电路3采用四支N沟道功率驱动快速开关型MOSFET管组成二个桥臂。制冷控制信号6的一路从电阻R1输入，从R1的另一端输出，连接到MOSFET管T1的栅极；另一路进入到电阻R2、R3的公共端，并从电阻R2的另一端流出，连接到MOSFET管T4的栅极，电阻R3的另一端接电源地。

制热控制信号7的一路从电阻R4输入，从R4的另一端输出，连接到MOSFET管T2的栅极；另一路进入到电阻R5、R6的公共端，并从电阻R5的另一端流出，连接到MOSFET管T3的栅极，电阻R6的另一端接地。

MOSFET管T1、T2的漏极连接电源正极，T1的源极与MOSFET管T3的漏极相连，T2的源极与MOSFET管T4的漏极相连。此外，MOSFET管T3、T4的源极连接电源地。功率驱动输出信号的两极分别从MOSFET管T1、T2的源极引出，驱动半导体制冷片12。

如图2～4所示，夹具装置4的外形近似一个正方体，其上下两侧由热交换夹紧板20组成，其左右两侧由树脂夹板22组成，在中部空间设置有导热紫铜夹具23。在导热紫铜夹具23的上下两端各形成一个凹陷槽，在凹陷槽内设置有半导体制冷片12，凹陷槽与半导体制冷片12的体积相同，能够互相配合。半导体制冷片12为耐高温(耐温225℃)模组、硅封口的制冷片TEC1-12715-HTS。

半导体制冷片12和热交换夹紧板20之间的空隙控制在0.01mm左右，在空隙中设置有薄铜片21或填充导热硅脂，使接合面紧密结合，不存在任何空隙。另外，在导热紫铜夹具23的前、后、左、右四侧面，采用树脂夹板22进行包覆和保温，将外界湿气以及温度与半导体制冷片12以及传热体有效隔离，进而提高半导体制冷片12制冷制热的可靠性。热交换加紧板20的热量通过板内水道中的循环水带走。整个夹具采用紧固螺钉26实现加固。在导热紫铜夹具23的中间设置有通光窗口13，在通光窗口13放置有固体激光器的倍频晶体。

在夹具装置4中还设置有热电偶15。在热交换夹紧板20的一端设置有冷却水入口24和冷却水出口25，冷却水入口24和冷却水入口接管10连通，冷却水出口25和冷却水出口接管11连通，在热交换夹紧板20的另一端设置有冷却水管16，将热交换夹紧板20中的水路连通。

热交换夹紧板20和导热紫铜夹具23通过螺钉26与树脂夹板22固定。

本发明的工作过程如下：

在夹具装置4中有外循环水流通的前提下，接通温控仪2电源，并同时提供给功率驱动电路3直流电压24V。此时，温控仪2和功率驱动电路3开始工作。温控仪2在接收来自热电偶15感测固体激光器倍频晶体14温度电信号8后，与设定的固体激光器倍频晶体14温度比较，通过温控仪2的内部PID计算后，输出制冷控制信号6或制热控制信号7。

如果热电偶15测量固体激光器倍频晶体14的温度高于设定温度值，温控仪2则输出制冷控制信号6控制功率驱动电路3，使功率驱动电路3中T1和T3对管导通，输出的正向电流并流经半导体制冷片12。半导体制冷片12在正向电流驱动下开始对通光窗口13内夹持的固体激光器倍频晶体14制冷。

如果热电偶15测量固体激光器倍频晶体14的温度低于设定温度值，温控仪2则输出制热控制信号7控制功率驱动电路3，使功率驱动电路3中T2和T4对管导通，输出的反向电流并流经半导体制冷片12。半导体制冷片12在反向电流驱动下开始对通光窗口13内夹持的固体激光器倍频晶体14加热。此时，半导体制冷片12热端面产生的热量通过与夹具装置4进行充分的热交换后，由外循环水带走。

在经过以上不间断的测温、计算并输出控制、电流驱动以及加热或制冷循环操作后，最终将固体激光器倍频晶体的温度稳定控制在设定的温度上。

本发明的有益效果：

本发明能在15～100℃内实现±0.1℃的精确稳定控温，且易实现、易操作。在高精度高稳定性控温下，固体激光器倍频晶体通过温度与相位的匹配，达到固体激光最佳倍频转换效率，从而提高固体激光器激光输出激光束的品质以及输出激光功率。

通过温控仪2上设置的RS485远程监控通讯接口，实现由远程计算机控制固体激光器倍频晶体温度设定、实时温度监测等功能。本发明在200瓦级窄脉宽固体激光器的研制中得到应用，使固体激光器的激光输出功率从百瓦级上升到250瓦左右。本发明还可以应用于激光分离系统中对光学镜片、能量转换晶体等的恒温控制，提高光学系统的能量转换效率。

Claims (4)

1.一种固体激光器倍频晶体的恒温控制装置，其特征在于：包括计算机(1)、计算机(1)通过RS485电信号(5)和温控仪(2)连接，温控仪(2)通过制冷控制信号(6)和制热控制信号(7)与功率驱动电路(3)的输入端连接，功率驱动电路(3)的输出端通过驱动电流线(9)和夹具装置(4)中的半导体制冷片(12)连接，其特征在于：所述的功率驱动电路(3)采用四支N沟道功率驱动快速开关管组成二个桥臂，所述的夹具装置(4)的上下两侧由热交换夹紧板(20)组成，其左右两侧由树脂夹板(22)组成，在中部空间设置有导热紫铜夹具(23)，在导热紫铜夹具(23)的上下两端各形成一个凹陷槽，在凹陷槽内设置有半导体制冷片(12)，在导热紫铜夹具(23)的中间设置有通光窗口(13)，在通光窗口(13)内放置固体激光器的倍频晶体(14)，在夹具装置(4)中还设置有热电偶(15)，在热交换夹紧板(20)的一端设置有冷却水入口(24)和冷却水出口(25)。

2.根据权利要求1所述的用于固体激光器倍频晶体的恒温控制装置，其特征在于：温控仪(2)采用富士温度控制仪表。

3.根据权利要求1所述的用于固体激光器倍频晶体的恒温控制装置，其特征在于：功率驱动电路(3)采用的功率驱动快速开关型MOSFET管的型号为IRF540NPBF。

4.根据权利要求1所述的用于固体激光器倍频晶体的恒温控制装置，其特征在于：半导体制冷片(4)的型号为TEC1-12715-HTS。

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