CN102136668A - 薄片激光器激光介质的温度控制方法及其装置 - Google Patents

薄片激光器激光介质的温度控制方法及其装置 Download PDF

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周寿桓
杨火木
杜永兆
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Abstract

本发明涉及一种薄片激光器激光介质的温度控制方法及其装置。该方法通过半导体制冷片阵列对激光介质分区域进行温度控制，先设定一个基准温度，对高于基准温度的激光介质子区域制冷，而对低于基准温度的激光介质子区域制热；该装置包括激光介质及与其连接的热沉、导热胶及其上的温度传感器、半导体制冷片阵列、闭环电路控制系统和计算机系统；温度传感器实时检测激光介质子区域的实际温度，并将其发送至计算机系统与设定的基准温度比较后发出温控信号；由闭环电路实时反馈给半导体制冷片，实现对激光介质子区域温度实时控制；从而实现对激光介质整体温度控制。本发明能动态控制激光介质温度的均匀分布，有效地抑制了激光介质热效应问题。

Description

薄片激光器激光介质的温度控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种激光介质的温度控制技术，特别涉及一种薄片激光器的激光介质的温度控制方法及其装置，属于固体激光技术领域。
背景技术
在高平均功率全固态激光器的发展过程中，提高二极管泵浦全固态激光系统的输出功率和亮度一直是激光研究者的主要任务和目标。然而，在全固态激光器系统中，激光介质吸收泵浦光能量，引起激活粒子数反转产生激光振荡的同时，只有一部分的泵浦光能量转换为激光辐射，而其余部分能量则由无辐射跃迁以及被晶体吸收并转变成热能沉积在激光介质内部，这就使得全固态激光器的激光介质的内部形成非均匀的温度场分布，由此会引起激光介质内部产生热应力以及激光介质端面变形和波前热畸变等问题，从而产生一系列的热效应问题。如热致非球面厚透镜效应、热致应力双折射退偏效应等现象；这些现象不仅不利于激光器谐振腔的设计而且还会使激光光束质量下降，同时限制了激光输出功率的进一步提高。
因此为了提高二极管泵浦全固态激光系统的输出功率和亮度，其首要任务就是要缓解激光介质内部的热效应对激光输出产生不利的影响；也就是说必须从根本上减少热量、热流密度以及热流的传导路程对激光输出的影响。关于这方面激光研究工作人员已建立了许多模型，其中比较理想的模型是由德国斯图加特大学的Giesen.A博士等人在文献“Giesen.A，Hugel.H Voss.A，etal.Scalable concept for diode-pumped high power solid-state lasers，Appl.Phys B，1994，58：365-372.”中提出了二极管泵浦的薄片激光器结构，在很大程度上克服了固体激光器中固有的热效应问题。由于薄片激光器的激光介质厚度相对它的口径尺度来说很小，即使使用非常高的泵浦能量也不会在薄片晶体上产生大的温度梯度，因此也就大大降低了激光介质的热效应问题。但是薄片激光器在实际工作过程中很难做到整个口径均匀泵浦，并且薄片各个面的冷却条件不同，薄片激光介质中也会产生非均匀的温度梯度分布，在高功率工作时也会不可避免地引起严重的热效应，从而也导致了激光输出功率难于进一步的提高和光束质量的下降的问题。
发明内容
本发明的目的正是在于克服现有技术中所存在的缺陷与不足，而提供一种薄片激光器的激光介质的温度控制的方法；该方法是利用半导体制冷片阵列对激光介质分区域进行温度控制，先设定一个基准温度，对高于基准温度的激光介质子区域制冷，而对低于基准温度的激光介质子区域制热，从而实现对激光介质整体温度的精确动态控制。
本发明的另一目的是提供一种实现薄片激光器激光介质的温度控制方法的装置。该装置包括激光介质、焊接层、热沉、导热胶、散热器、风扇及固定架、闭环电路控制系统和计算机系统；按照本发明，还包括若干半导体制冷片，由各半导体制冷片组成的半导体制冷片阵列，半导体制冷片的冷端面及热端面，温度传感器。
本发明的设计思想是：提出一种薄片激光器激光介质的温度控制的方法，该方法是采用半导体制冷片阵列作为激光介质的温度控制元件，利用该温度控制元件中的各半导体制冷片对激光介质分区域地进行温度控制，即先设定一个温度作为基准温度，对高于基准温度的激光介质子区域制冷，而对低于基准温度的激光介质子区域制热，使之能够在高平均功率激光输出下实现对激光介质温度分区域的控制，从而实现对激光介质整体温度的精确控制，进而使激光介质整体温度维持在一个较为均匀的温度分布，因此有效地降低了激光器因激光介质热效应引起的热致应力双折射和热透镜效应的影响，并有效地提高了激光的输出功率和光束质量。为实现所述方法的装置，包括激光介质、焊接层、热沉、导热胶、散热器、风扇及固定架、闭环电路控制系统和计算机系统；还包括半导体制冷片，由各半导体制冷片构成的半导体制冷片阵列，与半导体制冷片的冷端面连接的温度传感器，闭环电路控制系统和计算机系统。所述装置中位于各半导体制冷片的冷端面上的温度传感器实时检测到各激光介质子区域上的实际温度，发送至计算机系统；将实际温度与设定的基准温度做比较后由计算机系统发出温控信号，温控信号通过闭环电路控制系统反馈至各半导体制冷片，从而实现激光介质的整体温度动态控制。
为实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。
本发明提出的一种薄片激光器的激光介质的温度控制方法，其特征在于采用半导体制冷片阵列作为激光介质的温度控制元件，利用该温度控制元件对激光介质分区域地进行温度控制，先设定一个温度作为基准温度，对高于基准温度的激光介质子区域制冷，而对低于基准温度的激光介质子区域制热，从而实现对激光介质整体温度的精确动态控制，包括以下步骤：
(1)在薄片激光器工作过程中，首先采用温度传感器实时检测温度控制元件半导体制冷片阵列上对应于激光介质各子区域上的半导体制冷片的冷端面上的实际温度；
(2)将步骤(1)中检测到的激光介质各子区域上半导体制冷片的冷端面上的实际温度发送至计算机系统，再与事先设定好的基准温度进行比较，然后由计算机系统发出温度控制信号；
(3)由计算机系统发出的温度控制信号通过闭环电路控制系统反馈到半导体制冷片，半导体制冷片对高于基准温度的激光介质子区域做出制冷响应，相应地对低于基准温度的激光介质子区域做出制热响应，从而实现对激光介质各子区域温度的精确控制；
(4)循环以上步骤(1)至步骤(3)，即可实现对薄片激光器激光介质的整体温度的精确动态控制。
上述技术方案中，所述的温度控制方法可以通过对半导体制冷片直接设定目标温度的方式实现来实现对激光介质温度的控制。
上述技术方案中，所述的温度控制方法可以通过控制半导体制冷片的工作电流大小以控制热流大小的方式从而实现对激光介质温度的控制。
本发明为实现上述的方法，提供一种薄片激光器激光介质的温度控制的装置，包括激光介质、焊接层、热沉、导热胶、散热器、风扇及固定架、闭环电路控制系统和计算机系统；按照本发明，还包括若干半导体制冷片，由各半导体制冷片组成的半导体制冷片阵列，半导体制冷片的冷端面及热端面，温度传感器；所述各半导体制冷片的冷端面与对应的温度传感器连接；各半导体制冷片的冷端面通过导热胶与热沉连接；各半导体制冷片热端面与散热器紧密连接；闭环电路控制系统与温度传感器、半导体制冷片、风扇、以及计算机系统连接。
上述技术方案中，所述热沉的厚度为0.5-5mm。
上述技术方案中，所述的半导体制冷片阵列的形状可以是矩形、或者方形、或者圆形，或者与激光介质的分布形状相对应。
上述技术方案中，所述的半导体制冷片阵列的排列方式可以是方形阵列、或者矩形阵列、或者扇形阵列。
本发明所述的装置中，当薄片激光器工作时，激光介质的温度通过焊接层、热沉、导热胶等传导至半导体制冷片阵列上的半导体制冷片的冷端面上；温度传感器实时检测半导体制冷片的冷端面上的实际温度，温度传感器将该实际温度发送至计算机系统，然后与事先设定的基准温度比较后发出温控信号，该温控信号通过闭环电路控制系统实时反馈给半导体制冷片和风扇，半导体制冷片则根据温控信号做出相应的响应，即对高于基准温度的激光介质子区域制冷，而对低于基准温度的激光介质子区域制热，从而实现对激光介质子区域温度的精确控制，进而达到对激光介质整体温度的精确动态控制的目的。
本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：
1、本发明所提出的薄片激光器的激光介质温度的控制方法与装置，采用半导体制冷片阵列作为激光介质的温度控制元件，与传统的单一的制冷方式相比，能够实现对激光介质分区域制冷或者制热，从而达到对激光介质温度整体控制的目的，克服了传统制冷方式冷却不均的问题。
2、本发明所提出的薄片激光器的激光介质温度的控制方法与装置，通过调节半导体制冷片工作电流的大小，可方便调节半导体制冷片制冷或者制热的效率；通过切换电流方向，可使半导体制冷片从制冷工作状态转变为制热工作状态；响应速度快，效率高，使用寿命长，且易于控制。
3、本发明所提出的薄片激光器的激光介质温度的控制方法与装置，采用半导体制冷片阵列作为激光介质的温度控制元件，无机械传动部分，工作中无噪音，无液体、气体工作介质，因而不污染环境；并且体积小，易于集成化与智能化控制。
4、本发明所提出的薄片激光器的激光介质温度的控制方法与装置，能够实现对激光介质温度分区域控制，通过对激光介质各子区域制冷或制热，使得激光介质的整体温度维持在一个较为均匀的温度分布；有效地降低了激光器因激光介质热效应引起的热致应力双折射和热透镜效应的影响，从而有效提高了激光的输出功率和光束质量。
附图说明
图1是本发明薄片激光器的激光介质温度控制装置的结构示意图；
图2是本发明3×3半导体制冷片阵列示意图；
图3是本发明圆形半导体制冷片扇形阵列示意图；
图4是本发明6×3矩形半导体制冷片阵列示意图；
图5是实施例一激光介质温度控制前的温度分布等高线图；
图6是实施例一6×6矩形半导体制冷片阵列的示意图；
图7是实施例一激光介质温度控制后的温度分布等高线图；
图8是实施例一激光介质温度控制前和控制后过x轴中心的温度分布对比图；
图9是实施例一激光介质热流控制前和控制后过x轴中心的温度分布对比图。
图中，1-激光介质，2-焊接层，3-热层，4-导热胶，5-半导体制冷片阵列，6-半导体制冷片，7-散热器，8-风扇，9-冷端面，10-热端面，11-温度传感器，12-固定架，13-闭环电路控制系统，14-计算机系统。
具体实施方式
下面结合附图，并通过具体实施例对本发明激光介质温度控制方法与装置作进一步详细说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为对本发明保护范围的任何限定。
本发明所述一种实现薄片激光器激光介质的温度控制方法的装置，其整体结构如图1所示。包括激光介质1，焊接层2，热沉3，导热胶4，散热器7，风扇8，固定架12，闭环电路控制系统13和计算机系统14，半导体制冷片6，由各半导体制冷片6组成的半导体制冷片阵列5，半导体制冷片6的冷端面9及热端面10，温度传感器11；所述激光介质1通过焊接层2与热沉3紧密相连；所述半导体制冷片阵列5上各半导体制冷片6的冷端面9与对应的温度传感器11连接，半导体制冷片6的冷端面9还通过导热胶4与热沉3紧密连接；半导体制冷片6的热端面10与散热器7紧密连接；闭环电路控制系统13与温度传感器11、半导体制冷片6、风扇8、以及计算机系统14连接；所述风扇8与散热器7固定在一起，散热器7被固定于固定架12上。
当薄片激光器工作时，激光介质1的温度通过焊接层2、热沉3和导热胶4等传导至半导体制冷片阵列5上的各半导体制冷片6的冷端面9上；温度传感器11实时检测半导体制冷片6的冷端面上的实际温度，发送至计算机控制系统14后，与设定的基准温度比较后发出温控信号，温控信号通过闭环电路控制系统13实时反馈给半导体制冷片6，半导体制冷片6根据温控信号做出相应的响应，即对高于基准温度的激光介质1子区域制冷，而对低于基准温度的激光介质1子区域制热，以实现对激光介质子区域温度的精确控制，从而达到对激光介质整体温度精确控制的目的。进而使得薄片激光介质整体温度维持在一个较为均匀的温度分布，消除热应力的影响；因此可有效地降低了激光器因激光介质热效应引起的热致应力双折射和热透镜效应的影响，提高了激光的输出功率和光束质量。
从上述分析可知，要实现对薄片激光器的激光介质温度的整体控制，其特征在于采用半导体制冷片阵列作为激光介质的温度控制元件，利用该温度控制元件对激光介质分区域地进行温度控制。其中，对激光介质分区域的方式即半导体制冷片的排列方式可以根据实际激光介质的分布形状灵活选择。如图2所示，是本发明3×3方形半导体制冷片阵列示意图，对激光介质分为3×3方形区域，然后通过各个方形子区域直接设定目标温度或者是控制热流的大小从而实现对激光介质整体温度的控制。图3所示的是本发明圆形半导体制冷片扇形阵列示意图，它适用于对圆形激光介质进行分区域温度控制。图4所示的是本发明6×3矩形半导体制冷片阵列示意图，对于激光介质的分区域方式可以根据半导体制冷片的形状灵活选择。
实施例1
本实例中，利用有限元分析软件ANSYS对本发明所述的温度控制方法的整个过程进行模拟实验。其实现该方法的装置中，所用具体参数如下：所述的激光介质1采用热导率为13W/(m·K)的方形薄片Nd:YAG晶体，大小取长宽为30mm×30mm，厚度为1mm；焊接层2的厚度为0.3mm；热沉3采用热导率为221W/(m·K)的紫铜热沉，大小长宽为30×30mm，厚度为1mm；导热胶4为导热硅胶，散热器7为铝散热片，风扇8其功率为24W的直流风扇，温度传感器11采用检测精度为0.1度的热敏电阻温度传感器，闭环电路控制系统13为单片机可控闭环电路系统，计算系统14为PC计算机，设基准温度T0＝328K。
假设激光器工作时激光介质的初始温度分布等高线如图5所示；半导体制冷片阵列5的结构示意图如图6所示，采用的是6×6矩形排列的半导体制冷片阵列，其中T1，T2，T3表示各激光介质子区域设定的目标控制温度，各半导体制冷片6的驱动电压为12V、制冷能力100W/cm2；温度传感器11检测到激光介质1各个子区域的温度发送至计算机系统14后，与设定的基准温度比较后发出温度控制信号，温度控制信号通过闭环电路控制系统13实时反馈给半导体制冷片6，半导体制冷片6根据该温度控制信号做出相应的响应，对高于基准温度T0＝328K的激光介质1子区域制冷，而对低于基准温度T0＝328K的激光介质1子区域制热，得到控制后的激光介质1的温度分布的等高线图如图7所示。图8为对激光介质1实行温度控制前和控制后的过x轴中心线上的温度对比图。
同样的，可以通过设定半导体制冷片6工作电流的大小的方式来达到对激光介质1各个子区域上热流大小的控制，从而达到对激光介质温度的整体控制。图9为对激光介质1实行热流控制前和控制后的过x轴中心线上的温度对比图，其中HF1，HF2，HF3分别为激光介质1对应区域上的给定的热流密度值，可以看出通过实行热流密度控制同样的可以达到对激光介质整体温度很好的控制，
通过以上的实施例可以看出，本发明的温度控制方法利用半导体制冷片阵列对激光介质分区域进行温度控制的方法，可以改善薄片激光器的激光介质的温度分布，减小激光介质内部的温度梯度，从而有效地减小热应力的影响，是一个可行的温度控制方法。同时，该方法及其装置还可以改善抽运不均匀性，改善抽运不均匀带来的温度梯度变化问题。

Claims (7)

1.一种薄片激光器激光介质的温度控制方法，其特征在于采用半导体制冷片阵列作为激光介质的温度控制元件，利用该温度控制元件对激光介质分区域地进行温度控制，先设定一个温度作为基准温度，对高于基准温度的激光介质子区域制冷，而对低于基准温度的激光介质子区域制热，从而实现对激光介质整体温度的精确动态控制，包括以下步骤：
(1)在薄片激光器工作过程中，首先采用温度传感器实时检测温度控制元件半导体制冷片阵列上对应于激光介质各子区域上的半导体制冷片的冷端面上的实际温度；
(2)将步骤(1)中检测到的激光介质各子区域上半导体制冷片的冷端面上的实际温度发送至计算机系统，再与事先设定好的基准温度进行比较，然后由计算机系统发出温度控制信号；
(3)由计算机系统发出的温度控制信号通过闭环电路控制系统反馈到半导体制冷片，半导体制冷片对高于基准温度的激光介质子区域做出制冷响应，相应地对低于基准温度的激光介质子区域做出制热响应，从而实现对激光介质各子区域温度的精确控制；
(4)循环以上步骤(1)至步骤(3)，即可实现对薄片激光器激光介质的整体温度的精确动态控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于温度控制方法可以通过对半导体制冷片直接设定目标温度的方式来实现温度控制。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于温度控制方法可以通过控制半导体制冷片工作电流大小以控制热流大小的方式从而实现对激光介质温度的控制。
4.一种实现权利要求1-3所述薄片激光器激光介质的温度控制方法的装置，包括激光介质(1)、焊接层(2)、热沉(3)、导热胶(4)、散热器(7)、风扇(8)及固定架(12)、闭环电路控制系统(13)和计算机系统(14)；其特征在于还包括由若干半导体制冷片(6)组成的半导体制冷片阵列(5)，半导体制冷片(6)的冷端面(9)及热端面(10)，温度传感器(11)；所述各半导体制冷片(6)冷端面(9)与对应的温度传感器(11)连接；各半导体制冷片(6)的冷端面(9)通过导热胶(4)与热沉(3)连接；半导体制冷片(6)的热端面(10)与散热器(7)紧密连接；闭环电路控制系统(13)与温度传感器(11)、半导体制冷片(6)、风扇(8)、以及计算机系统(14)连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的热沉(3)的厚度为0.5-5mm。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的半导体制冷片阵列(5)的形状可以是矩形、或者方形、或者圆形，或者与激光介质(1)的分布形状相对应。
7.根据权利要求4或6所述的装置，其特征在于所述的半导体制冷片阵列(5)的排列方式可以为方形阵列、或者矩形阵列、或者扇形阵列。
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