CN102394463B - 一种激光器用晶体的冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光器用晶体的冷却系统。所述的晶体冷却系统设置有外接低温冷却系统的冷却接口装置，外接真空系统的真空装置接口、外接温控反馈系统的测温装置接口以及布鲁斯特窗体的安装接口；与冷却接口装置相接的外部低温冷却系统，为真空室内部晶体提供稳定的低温环境；与真空装置接口相接的外部真空系统，为真空室内部晶体提供了真空绝热环境；与测温装置接口相接的温控反馈系统，实时反馈和调控晶体温度；布鲁斯特窗体安装接口附近安装的温控片用来调节布鲁斯特窗体周围的水蒸气分压力于结露点以下；这样就使激光器用晶体热导率增加，热梯度减小，热透镜效应减小，同时防止了结露现象的产生，确保了整个激光器的正常工作。
Description
技术领域
本发明属于激光器用晶体冷却领域，具体涉及一种激光器用晶体的冷却系统。用于激光器中系统中对激光器用晶体（如钛宝石）进行低温绝热防结露冷却。
背景技术
在泵浦源泵浦的钛宝石激光器中，要充分挖掘钛宝石激光器的运用潜力，需要解决钛宝石晶体的热透镜等关键性的问题，这就要求对晶体进行低温冷却，以使晶体的热导率增加，热梯度减小，热透镜效应减小。目前使用的晶体的低温冷却系统绝热材料的选用不合理，绝热结构采用薄垫圈的结构形式，导致绝热性能不好；观察窗体等采用真空胶来粘接密封，密封不可靠，不能保证整个系统保持一个稳定的真空状态；低温冷源传导采用直接传导，不能很好保证低温环境；整个装置没有水蒸气分压力调控功能，导致冷却系统容易结露，严重制约了激光器的正常工作。
发明内容
为了克服已有技术的冷却系统对钛宝石晶体低温冷却过程中，绝热不佳及装置容易结露的不足，本发明提供了一种激光器用晶体的冷却系统。
本发明的激光器用晶体的冷却系统，其特点是：所述的冷却系统包括晶体热沉装置、真空室、测温装置接口、真空装置接口、冷却接口装置、布鲁斯特窗体、观察窗体；所述的晶体热沉装置含有晶体热沉、内外绝热垫、晶体和晶体热沉压盖，其中，晶体热沉与内外绝热垫固定连接，在晶体热沉上安装有晶体，晶体热沉压盖压紧晶体固定设置在晶体热沉上，在晶体热沉中设置有一通孔；真空室为一个内部为圆柱形的空腔，所述的晶体热沉装置安装在真空室腔体内的底面上。
在真空室的顶部设置有圆形出口，真空室的侧壁上设置有冷却接口、测温装置接口、真空装置接口，在真空室侧壁上还设置有安装布鲁斯特窗体的带斜面的圆柱接口，在圆柱接口的斜面上设置有布鲁斯特窗体的安装槽。
在真空室顶部圆形出口处安装有观察窗体，观察窗体由观察窗片、窗片压盖组成，观察窗体的观察窗片安装在真空室上部圆形出口上，窗片压盖压紧在观察窗片上，在观察窗体的观察窗片与真空室之间设有橡胶密封圈。
用于外接冷却系统的冷却接口装置由绝缘座与中空的导热金属管通过螺纹旋合而成，与绝缘座相连接的导热金属管外的表面涂抹有螺纹密封胶，导热金属管旋入晶体热沉中设置的相对应的通孔中，绝缘座安装在真空室外壁的冷却接口中，通过螺钉与真空室外壁固定连接，在导热金属管与绝缘座之间设置有密封圈，在绝缘座和真空室外壁之间设置有密封圈；
测温装置接口为航空插头，安装在真空室的侧壁上，航空插头的一端通过测温头与晶体热沉相连接，另一端外接温度反馈控制系统；真空装置接口固定在真空室的侧壁上，真空装置接口外接真空系统；在真空室侧壁圆柱接口斜面上的安装槽内安装有布鲁斯特窗体，在安装布鲁斯特窗体的圆柱侧面上设置有温控片。
所述的内外绝热垫采用导热系数小于0.08W/(m·K)的绝热材料制成。
所述的内外绝热垫的厚度大于8mm。
所述的冷却装置接口中的导热金属管的导热系数大于407W/(m·K)，绝热座由导热系数小于0.08W/(m·K)的绝热材料制成。
所述的冷却接口装置中的导热金属管外径与晶体热沉相对应通孔的粗糙度小于0.8，导热金属管外径与晶体热沉相对应通孔之间的间隙为0～0.054mm。
所述的冷却接口装置中的导热金属管外径与真空室侧壁上的冷却接口之间的单边间隙为1.5～2mm。
所述的观察窗体中的密封圈由耐零下90度的橡胶材料制成。
所述的真空室内部为圆柱形的空腔（其内表面粗糙度小于0.8），为内部晶体热沉夹持装置、布鲁斯特窗体提供一个安装空间，为整个系统提供了对外的测温装置接口、真空装置接口、冷却接口装置等功能接口，使之形成一个完成特定功能的系统。
所述的真空装置接口外接真空系统，为整个装置提供真空环境，降低了真空室内表面和晶体热沉夹持装置表面之间的空气热对流，减少了热量损失。
所述的冷却接口装置外接低温冷却系统，通过导热金属管使外部冷却源和真空室内部晶体热沉夹持装置连接成一体，为晶体冷却提供低温环境。
所述的测温装置接口一端通过测温头与晶体热沉夹持装置连接，另一端外接低温冷却系统，时时反馈和调控晶体的温度状态。
所述的内外绝热垫为导热系数小于0.08W/(m·K)材料制成的绝热垫；绝热垫采用点接触的形式，缩小接触面积，根据绝热材料性能参数确定了绝热垫厚度不小于8mm，减小了热量的传递，确保绝热可靠。
所述的真空室侧壁上带斜面的圆柱面上安装的温控片Ⅰ、温控片Ⅱ用来调节布鲁斯特窗体附近的温度以及水蒸气的分压力，使布鲁斯特窗体附近的水蒸气处于未饱和状态，防止了结露现象的产生。
在采用泵浦源泵浦的钛宝石激光器系统中，采用本发明的激光器用晶体的冷却系统，真空室对内为晶体冷却提供一个内部空间，真空室对外提供了各种功能接口：冷却接口装置、真空装置接口、测温装置接口；外部低温冷却系统通过冷却接口装置与晶体的冷却系统相连接，使真空室内部晶体处于稳定的低温冷却状态；外部真空系统通过真空装置接口与冷却系统相连接，使真空室内部晶体处于真空绝热环境之下；温控反馈系统通过测温装置接口与冷却系统相连接，实时反馈和调控晶体的温度；内外绝热垫的绝热、一定真空度下气体分子热对流的减小阻隔了热量在真空室内外的传递；通过温控片来调节布鲁斯特窗片附近的温度，进而调节布鲁斯特窗体附近的水蒸气的分压力，使布鲁斯特窗体附近的水蒸气处于未饱和状态，使水蒸气分压力处于结露点以下。
本发明的激光器用晶体的冷却系统使激光器用晶体获得了一个稳定的低温绝热工作环境，在低温环境下，晶体的热导率增加，热梯度减小，热透镜效应减小；同时通过温控片调节水蒸气分压力于结露点以下，防止了结露现象的产生，确保了整个激光器的正常工作。
附图说明
图1为本发明的一种激光器用晶体的冷却系统的主视图。
图2为图1中的A-A面上的剖视图。
图中，1.测温接口装置 2.真空接口装置 3.真空室 4.内外绝热垫 5.冷却接口装置 6.晶体热沉 7.晶体热沉压盖 8.布鲁斯特窗体 9.观察窗体 10.温控片 11.温控片 17.晶体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
图1为本发明的一种激光器用晶体的冷却系统的主视图，图2为图1中的A-A面上的剖视图。在图1、图2中本发明的一种激光器用晶体的冷却系统，包括晶体热沉装置、测温装置接口1、真空装置接口2、真空室3、冷却接口装置5、布鲁斯特窗体8、观察窗体9；所述的晶体热沉装置含有晶体热沉6、内外绝热垫4、晶体17和晶体热沉压盖7，其中，晶体热沉6与内外绝热垫4固定连接，在晶体热沉6上安装有晶体17，晶体热沉压盖7压紧晶体17固定设置在晶体热沉6上，在晶体热沉6中设置有一通孔；真空室3为一个内部为圆柱形的空腔，所述的晶体热沉装置安装在真空室3腔体内的底面上；
在真空室3的顶部设置有圆形出口，真空室3的侧壁上设置有冷却接口、测温装置接口1、真空装置接口2，在真空室侧壁上还设置有两个安装布鲁斯特窗体的带斜面的圆柱接口，在圆柱接口的斜面上设置有两个布鲁斯特窗体的安装槽；
在真空室3顶部圆形出口处安装有观察窗体9，观察窗体9由观察窗片、窗片压盖组成，观察窗体9的观察窗片安装在真空室3上部圆形出口上，窗片压盖压紧在观察窗片上，在观察窗体9的观察窗片与真空室之间设有橡胶密封圈。
用于外接冷却系统的冷却接口装置5由绝缘座与中空的导热金属管通过螺纹旋合而成，与绝缘座相连接的导热金属管外的表面涂抹有螺纹密封胶，导热金属管旋入晶体热沉6中设置的相对应的通孔中，绝缘座安装在真空室3外壁的冷却接口中，通过螺钉与真空室3外壁固定连接，在导热金属管与绝缘座之间设置有密封圈，在绝缘座和真空室外壁之间设置有密封圈；
测温装置接口1为航空插头，安装在真空室3的外壁上，航空插头的一端通过测温头与晶体热沉6相连接，另一端外接温度反馈控制系统；真空装置接口2固定在真空室3的侧壁上，真空装置接口2外接真空系统；在真空室3圆柱斜面上的安装槽内安装有布鲁斯特窗体，本实施例中，设置有两个布雷斯特窗体，布雷斯特窗体8为其中一个，在安装布鲁斯特窗体8和另一个布雷斯特窗体的圆柱侧面上分别设置有温控片Ⅰ10及温控片Ⅱ11。
本实施例中，所述的内外绝热垫4采用导热系数0.06W/(m·K)的绝热材料制成。
所述的内外绝热垫4的厚度9mm。
所述的冷却装置接口5中的导热金属管的导热系数410W/(m·K)，绝热座由导热系数0.06W/(m·K)的绝热材料制成。
所述的冷却接口装置5中的导热金属管外径与晶体热沉6相对应通孔的粗糙度均为0.4，间隙为0.053mm；
所述的冷却接口装置5中的导热金属管外径与真空室3冷却接口之间的单边间隙为1.8mm。
所述的观察窗体9中的密封圈由在零下90度环境下能正常工作的橡胶材料制成。
实施例2
本实施例中，本发明的一种激光器用晶体的冷却系统与实施例1的基本结构相同，不同之处是，
本实施例中，所述的内外绝热垫4采用导热系数0.08W/(m·K)的绝热材料制成。
所述的内外绝热垫4的厚度15mm。
所述的冷却装置接口5中的导热金属管的导热系数450W/(m·K)，绝热座由导热系数0.08W/(m·K)的绝热材料制成。
所述的冷却接口装置5中的导热金属管外径与晶体热沉6相对应通孔的粗糙度均为0.8，间隙为0.01mm；
所述的冷却接口装置5中的导热金属管外径与真空室3冷却接口之间的单边间隙为1mm。
所述的观察窗体9中的密封圈由在零下90度环境下能正常工作的橡胶材料制成。
本发明具体制作工艺如下：
本发明中的晶体热沉6和内外绝热垫4通过螺钉连接成一个整体，然后把晶体17安装在晶体热沉6上，用螺钉把晶体热沉压盖7安装在晶体热沉6上，压紧晶体17，形成一个带晶体17的晶体热沉装置。真空室3内部为圆柱形的空腔，把组装好的晶体热沉装置安装在真空室3腔内部的底面上，内外绝热垫4与真空室3通过带绝热套的螺钉固定在一起，保证晶体热沉6和真空室3之间绝热可靠；在真空室3上部的圆形出口处安装有观察窗体9，观察窗体9由观察窗片、窗片压盖组成，观察窗体9的观察窗片安装在真空室3上部圆形出口槽内，观察窗体9的观察窗片与真空室之间有橡胶密封圈，窗片压盖安装在观察窗片上，通过螺钉把观察窗体9的窗片压盖与观察窗片安装在真空室3上部圆形出口处，同时密封圈被压紧以确保真空室密封可靠；测温装置接口1为航空插头，通过螺钉安装在真空室3的外壁上，航空插头的一端通过测温头与晶体热沉6相连接，另一端外接温度反馈控制系统，实时反馈和调控晶体的温度；冷却接口装置5由绝缘座与中空的导热金属管通过螺纹旋合而成，与绝缘座相连接的导热金属管外的表面涂抹有螺纹密封胶，导热金属管旋入晶体热沉6中设置的相对应的通孔中，绝缘座安装在真空室3外壁的冷却接口中，通过绝热螺钉与真空室3外壁固定连接，在导热金属管与绝缘座之间设置有密封圈，在绝缘座和真空室外壁之间设置有密封圈；冷却接口装置5对外与外部低温冷却系统相接，为晶体提供一个稳定的低温环境；在真空室3侧壁上的两圆柱带斜面的出口处安装两个布鲁斯特窗体，布鲁斯特窗体8与真空室3侧壁上圆柱带斜面出口之间安装相应的密封圈，在安装布鲁斯特窗体的圆柱侧面上分别安装有温控片10、温控片11，以便对布鲁斯特窗体附近的温度和水蒸气分压力进行调节，使布鲁斯特窗体9附近的水蒸气分压力处于结露点以下；真空装置接口2外接真空系统，为整个系统提供真空绝热环境；测温装置接口1外接温控反馈控制系统，实时反馈和调控晶体的温度；冷却接口装置5外接低温冷却系统，为晶体提供一个低温环境。
在完成上述步骤后，开启真空系统，等监测到真空室内真空度达到要求后，开启低温冷却系统，监测真空室内的温度；查看当时实验室内的温湿度，根据环境温湿度，通过温控片10、温控片11调节布鲁斯特窗体附近温度到相应的临界值，使布鲁斯特窗体附近的水蒸气处于不饱和状态；记录不同温湿度条件下的真空室外壁布鲁斯特窗体附近测温点的降温曲线，检测系统是否结露。通过实验确认整个系统具备了正常工作的条件。
Claims (2)
1.一种激光器用晶体的冷却系统，其特征在于：所述的冷却系统包括晶体热沉装置、测温装置接口（1）、真空装置接口（2）、真空室（3）、冷却接口装置（5）、布鲁斯特窗体（8）、观察窗体（9）；所述的晶体热沉装置含有晶体热沉（6）、内外绝热垫（4）、晶体（17）和晶体热沉压盖（7），其中，晶体热沉（6）与内外绝热垫（4）固定连接，在晶体热沉（6）上安装有晶体（17），晶体热沉压盖（7）压紧晶体（17）固定在晶体热沉（6）上，在晶体热沉（6）中设置有一通孔；真空室（3）为一个内部为圆柱形的空腔，所述的晶体热沉装置安装在真空室（3）腔体内的底面上；
在真空室（3）的顶部设置有圆形出口，真空室（3）的侧壁上设置有冷却接口、测温装置接口（1）、真空装置接口（2），在真空室侧壁上还设置有安装布鲁斯特窗体的带斜面的圆柱接口，在圆柱接口的斜面上设置有布鲁斯特窗体的安装槽；
在真空室（3）顶部圆形出口处安装有观察窗体（9），观察窗体（9）由观察窗片、窗片压盖组成，观察窗体（9）的观察窗片安装在真空室（3）上部圆形出口上，窗片压盖压紧在观察窗片上，在观察窗体（9）的观察窗片与真空室（3）之间设有橡胶密封圈；
用于外接冷却系统的冷却接口装置（5）由绝缘座与中空的导热金属管通过螺纹旋合而成，与绝缘座相连接的导热金属管外的表面涂抹有螺纹密封胶，导热金属管旋入晶体热沉（6）中设置的相对应的通孔中，绝缘座安装在真空室（3）外壁的冷却接口中，并通过螺钉与真空室（3）外壁固定连接，在导热金属管与绝缘座之间设置有密封圈，在绝缘座和真空室外壁之间设置有密封圈；
测温装置接口（1）为航空插头，安装在真空室（3）的侧壁上，航空插头的一端通过测温头与晶体热沉（6）相连接，另一端外接温度反馈控制系统；真空装置接口（2）固定在真空室（3）的侧壁上，真空装置接口（2）外接真空系统；在真空室（3）侧壁的圆柱接口斜面上的安装槽内安装有布鲁斯特窗体，在安装布鲁斯特窗体的圆柱侧面上设置有温控片；
所述的内外绝热垫（4）采用导热系数小于0.08W/(m·K)的绝热材料制成；
所述的内外绝热垫（4）的厚度大于8mm；
所述的冷却接口装置（5）中的导热金属管的导热系数大于407W/(m·K)，绝热座由导热系数小于0.08W/(m·K)的绝热材料制成；
所述的冷却接口装置（5）中的导热金属管外径与晶体热沉（6）相对应通孔的粗糙度小于0.8，导热金属管外径与晶体热沉(6)相对应通孔之间的间隙为0～0.054mm；
所述的冷却接口装置（5）中的导热金属管外径与真空室（3）侧壁上的冷却接口之间的单边间隙为1.5～2mm。
2.根据权利要求1所述的激光器用晶体的冷却系统，其特征在于：所述的观察窗体（9）中的密封圈由耐零下90度的橡胶材料制成。
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