CN101924321A

CN101924321A - 一种用于侧面泵浦高平均功率圆棒激光晶体的微细尺度相变冷却集成化系统

Info

Publication number: CN101924321A
Application number: CN2009101773275A
Authority: CN
Inventors: 徐靖中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-12-22

Abstract

本发明涉及一种用于侧面泵浦高平均功率激光晶体棒的微细尺度相变冷却集成化系统，主要包括激光晶体圆棒、石英玻璃套管、环形蒸发空间、两端的密封端帽、储液室、流体分布控制元件、蒸汽管路、冷凝液回流管路、微沟槽冷凝器、薄膜温度传感器、控制线路、系统冷源等。本发明特色在于直接利用激光晶体棒和其外围同轴石英玻璃套管构成的环形空间作为蒸发器，而在激光晶体棒外表面直接设置微槽群结构。流体分布控制元件和激光晶体圆棒表面微槽群构成的毛细驱动泵，驱动回流冷凝液从储液室流向微槽群。外散热系统采用逆流式微沟槽冷凝器。

Description

一种用于侧面泵浦高平均功率圆棒激光晶体的微细尺度相变冷却集成化系统

技术领域

本发明涉及一种高平均功率固体激光器冷却系统，特别涉及一种用于侧面泵浦的高平均功率圆棒激光晶体的微细尺度相变冷却集成化系统。

技术背景

高平均功率固体激光器是当今发展最快，应用最广的新型激光器。高平均功率固体激光器种类很多，可以是连续的、脉冲的、调Q的、以及加倍频混频等非线性转换的，泵浦源可以是灯泵浦或激光二极管泵浦。激光晶体的形状有圆柱形的、板条形的和薄片形的。而泵浦的耦合方式可分为端面泵浦和侧面泵浦，其中，侧面泵浦用于高平均功率固体激光器较为普遍。不同的晶体形状和泵浦方式有不同的冷却方式。

圆棒激光器是目前发展最成熟、应用最广泛的固体激光器类型。为了获得大功率的激光输出，必须对圆棒形激光介质进行冷却散热。一般泵浦源设置在激光晶体棒周围，从侧面将二极管激光能量耦合到激光晶体棒上。激光晶体棒用导流管包围，冷却水在激光晶体棒表面和导流管之间流动，带走热量。整个冷却系统一般包括压缩机、膨胀阀、冷凝器、热交换器、水泵、管道、水箱、流量计及流量开关。

这种管内水冷对流冷却方式的热流密度在50w/cm²左右，当激光输出功率继续增加时，已经不能满足圆棒激光晶体的散热要求。为使高平均功率固体激光器稳定运行，必须寻求更先进的冷却散热方法，以便及时、有效地带走激光晶体中产生的无用热。“有效散热”是指高效、即时移出激光晶体中的无用热，而同时避免散热造成的热畸变。“有效散热”仍然是当前高平均功率激光器发展的瓶颈之一，亟待技术上有创新性的突破。

微通道水冷系统作为一种比较先进的热沉冷却技术，其冷却热流密度据文献报道称最可高达到1000w/cm²。但热控性能不好，冷却效率低，且存在结构复杂、系统承压高、泵功率高和微槽道堵塞的风险。喷雾冷却最大热流密度也可达到1000w/cm²，且冷却温度均匀，是一种有发展前景的高热流冷却技术。由于其机制较为复杂，影响因素众多，包括雾化压力、流体流速、液滴尺寸、喷射速度、喷射角、液体过冷度、工质热物性等，而且相互耦合，其应用基础性研究尚不充分，需要在关键技术方面进行充分的前期研究。

另一方面，为适应微电子元器件高集成度导致的高热流密度，微热管技术及微细尺度相变冷却热沉技术得到了快速发展。微热管的结构经历了从重力型、具有毛细芯的单根热管，到具有一簇平行独立微槽道的平板热管，进而发展到内部微槽群之间通过蒸汽空间相互连通的形式，其热流密度目前最大可达到50w/cm²上下，已经为计算机芯片等各种小面积、高热流元件散热提供了有效的方法。但微热管运行受临界热流密度限制，在高平均功率散热下容易出现液膜“烧干”现象。与微热管技术相比，微细尺度相变冷却热沉技术不受临界热流密度限制，比较适合用于高平均功率固体激光器散热，其散热密度目前最高已达到400w/cm²左右，且传热面温度均匀，尺寸小，响应快，冷凝段部分可以分开布置。微细尺度相变冷却热沉技术的进展为高平均固体激光器实现“有效散热”提供了广阔的发展空间。然而，现有的微细尺度相变冷却热沉系统直接用于圆棒固体激光器散热时，往往由于空间限制、光路上的阻挡以及界面形态而无法使用，此外，接触热阻的存在也会显著降低激光晶体“有效散热”的效果，需要创新性思维。

本发明的内容：

本发明的目的在于提供一种可适用于侧面泵浦高平均功率圆棒激光晶体“有效散热”的微细尺度相变冷却集成化系统。

本发明提供的用于侧面泵浦大功率圆棒激光晶体微细尺度相变冷却集成化系统，其特征在于：所述的微细尺度相变冷却集成化系统主要包括激光晶体圆棒、石英玻璃套管、环形蒸发空间、两端的密封端帽、储液室、流体分布控制元件、蒸汽管路、冷凝液回流管路、微沟槽冷凝器、薄膜温度传感器、控制线路、系统冷源等。

所述的激光晶体圆棒中段为Nd:YAG或Yb:YAG晶体，靠近两端健合不掺杂YAG晶体。微细尺度相变冷却结构直接集成到激光晶体圆棒表面。

所述的微细尺度相变冷却结构为各种截面形状的微槽群，截面形状包括三角形、矩形、梯形及可加工成型的其他截面形状，截面形状的特征尺度在0.1～1.0mm之间，微槽间距在0.2～1.0mm之间。

所述的石英玻璃套管与激光晶体圆棒同轴布置，并与激光晶体表面微结构层构成环形蒸发器空间。泵浦光源透过石英玻璃管射入激光晶体圆棒。

所述的两端密封端帽采用铝、铜等金属材料，端帽中包含有储液室、流体分布控制元件、密封结构及蒸汽出口和冷凝液回流入口，保证蒸发器稳定运行。

所述的储液室设置在与冷凝液回流管路相连的密封端帽内，储液室内放置了流体分布及控制元件。流体分布控制元件和激光晶体圆棒表面微槽群构成的毛细驱动泵，驱动回流冷凝液从储液室流向微槽群。

所述的流体分布控制元件由非均匀孔系结构的多孔金属烧结而成，孔隙度在40～50％，孔径范围覆盖微米至百微米量级，在维持设计要求的液体渗透性的同时，满足液体均匀分布所需的毛细性能，保证系统稳定运行。

所述的蒸汽管路和冷凝液回流管路采用低导热系数的Perfluoralkoxy聚氨酯软管，减少热损，同时可调节液位差。

所述的微沟槽冷凝器为逆流式冷凝器，冷凝腔为薄矩形空腔，腔体内表面开设了许多纵向微沟槽。腔体外表面设置了纵向微肋片群，整个腔体及外表面微肋片群置于水套内，冷却水从下往上流动，与相变工质形成逆流。冷凝器上端面上设置有抽真空接口，用以抽真空、灌液、密封。

所述的薄膜温度传感器置于冷凝液出口处，随时监控冷凝液温度，输出相应信号至控制线路，控制线路根据信号适时调整冷却水系统，达到恒温控制冷却系统的目的。

所述的冷却水系统仍采用常规制冷机组系统，只是冷却介质温度只需冷却至室温，而不必冷却至室温以下。冷却对象也不再是微通道液冷热沉，而是微槽道冷凝器内冷却通道。

本发明的目的是这样实现的：

激光二极管阵列将激光能量从侧面通过石英玻璃套管入射窗口耦合到棒状激光晶体上，经震荡放大后，通过圆棒激光晶体端面输出。圆棒激光晶体表面和石英玻璃套管构成环形蒸发空间。激光晶体产生的热量被蒸发空间内圆棒激光晶体表面微槽结构中的液态工质吸收而蒸发，蒸汽通过端部出口与蒸汽通道相连，蒸汽通道外表面设置保温层。蒸汽从冷凝器上部蒸汽进口进入，在冷凝器内壁微沟槽表面凝结，释放出潜热，凝液沿微沟槽底面靠重力及沟槽表面张力向下流到冷凝器下部出口，经冷凝液回流管流入蒸发器储液室。回流的冷凝液在流体分布控制元件及圆棒激光晶体表面微结构毛细力驱动下，流入激光晶体表面微槽内，完成一个循环。微沟槽冷凝器的凝结热被置于冷凝器外水套中的冷却水带走，温升后的冷却水经制冷机组冷却后循环使用。

附图说明：

附图1 用于侧面泵浦大功率激光晶体棒的微细尺度相变冷却集成化系统

1，激光二极管泵浦源；2，激光晶体圆棒；3，圆棒表面微槽群结构；4，蒸发空间；5，石英套管；6，上密封端帽；7，下密封端帽；8，蒸汽管路；9，冷凝液回流管路；10，微沟槽冷凝器；11，冷凝器冷却水进口；12，冷凝器冷却水出口；13，制冷机组；14，薄膜温度传感器及控制系统

具体实施方式：

用于侧面泵浦的高平均功率圆棒激光晶体微细尺度相变冷却集成化系统如图1所示。激光二极管阵列1将激光能量从侧面通过石英玻璃套管5耦合到棒状激光晶体2上，经震荡放大后，从激光晶体2端部输出。激光晶体棒2所产生的热量由其表面微槽群结构3中的液体工质通过相变吸热直接吸收，液态工质转变为蒸汽。蒸汽通过蒸汽管道8进入微沟槽冷凝器10，在内沟槽表面凝结，释放出潜热。冷凝液在重力和沟槽表面张力作用下，沿沟槽底面向下流到冷凝器底部，通过冷凝液管道9流回下密封端帽7中的储液室，储液室内设置的流体分布控制元件和激光晶体圆棒表面的微槽群结构3形成毛细驱动泵，驱动回流冷凝液在流量控制条件下从储液室流向微槽群，完成一个相变循环。微沟槽冷凝器外表面薄膜温度传感器及控制线路随时监控冷凝液管道中的凝液温度，并输出相应信号至控制线路，控制线路根据信号适时调整制冷机组工作状态，达到恒温控制冷却系统的目的。

Claims

1.一种用于侧面泵浦高平均功率圆棒激光晶体的微细尺度相变冷却集成化系统，其特征在于：所述的微细尺度相变冷却集成化结构主要包括激光晶体圆棒、石英玻璃套管、环形蒸发空间、两端的密封端帽、储液室、流体分布控制元件、蒸汽管路、冷凝液回流管路、微沟槽冷凝器、薄膜温度传感器、控制线路、系统冷源等。

2.根据权力要求1所述的激光晶体圆棒，其特征在于：激光晶体圆棒为Nd:YAG或Yb:YAG晶体，激光晶体圆棒靠近冷凝液回流管路的一端键合了不掺杂YAG晶体。微细尺度相变冷却结构直接集成到激光晶体圆棒表面。

3.根据权力要求2所述的微细尺度相变冷却结构，其特征在于：集成于激光晶体圆棒表面的微细尺度相变冷却结构是指各种截面形状的纵向微槽群，微槽截面形状包括三角形、矩形、梯形及可加工成型的其他截面形状，截面形状的特征尺度在0.2～2.0mm之间，微槽间距在0.2～2.0mm之间。

4.根据权力要求1所述的石英玻璃套管，其特征在于：所述的石英玻璃套管与激光晶体圆棒同轴布置，并与激光晶体表面构成环形蒸发器空间。泵浦光源透过石英玻璃管射入激光晶体圆棒。

5.根据权力要求1所述的圆棒激光晶体两端密封端帽，其特征在于：所述的两端密封端帽采用铝、铜等金属材料，端帽中包含有储液室、流体分布控制元件、密封结构及蒸汽出口和冷凝液回流入口，保证蒸发器稳定运行。

6.根据权利要求5所述的储液室，其特征在于：所述的储液室设置在与冷凝液回流管路相连的密封端帽内，储液室内放置了流体分布及控制元件。流体分布控制元件和激光晶体圆棒表面微槽群构成的毛细驱动泵，驱动回流冷凝液从储液室流向微槽群。

7.根据权利要求5所述的流体分布控制元件，其特征在于：所述的流体分布控制元件由非均匀孔系结构的多孔金属烧结而成，孔隙度在40～50％，孔径范围为微米至百微米量级，在保证液体渗透性的同时，满足液体均匀分布所需的毛细性能，保证系统稳定运行。

8.根据权力要求1所述的蒸汽管路和冷凝液回流管路，其特征在于：所述的蒸汽管路和冷凝液回流管路采用低导热系数的Perfluoralkoxy聚氨酯软管，减少热损，同时可调节液位差。

9.根据权力要求1所述的微沟槽冷凝器，其特征在于：所述的微沟槽冷凝器为逆流式冷凝器，冷凝腔为薄矩形空腔，腔体内表面开设了许多纵向微沟槽。腔体外表面设置了纵向微肋片群，整个腔体及外表面微肋片群置于水套内，冷却水从下往上流动，与相变工质形成逆流。冷凝器上端面上设置有抽真空接口，用以抽真空、灌液、密封。

10.根据权力要求1所述的薄膜温度传感器及控制电路，其特征在于：所述的薄膜温度传感器置于冷凝液出口处，随时监控冷凝液温度，输出相应信号至控制线路，控制线路根据信号适时调整冷却水系统，达到恒温控制冷却系统的目的。