CN102931570B - 棒状激光放大器均匀冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种棒状激光放大器均匀冷却装置，该装置由密封套头、水套管、冷却介质和激光棒四部分组成，其特点是冷却介质在冷却通道中形成环绕棒状放大介质的环流。本发明能够改善激光泵浦阶段棒状增益介质内的温度梯度，对棒状放大器进行均匀有效的冷却，保证光束通过放大器的增益特性和增益均匀性。

Description

棒状激光放大器均匀冷却装置

技术领域

本发明涉及大功率固体棒状放大器的均匀冷却结构，能改善激光发射阶段增益介质的温度梯度，在冷却阶段能够有效的对棒状放大器进行均匀冷却的方法和结构。它是一种用于氙灯泵浦高功率激光放大器中，能实现对棒状放大器的有效均匀冷却。

背景技术

大功率放大器中，棒状放大器作为一个必不可少的放大单元，广泛应用在核约束聚变的研究装置中。在传统棒状放大器中，增益介质采用圆棒状，在聚光腔中用氙灯进行抽运，封在石英套管中采用冷却介质对其进行冷却。但是由于氙灯光谱的不连续性及在氙灯泵浦过程中的量子亏损效应，氙灯的大部分能量以热量的形式沉积在棒状放大器中。热量沉积会造成棒状放大器本身产生温度梯度，温度梯度的存在会引起通过棒状放大器的光束产生应力双折射以及热透镜效应，甚至会造成棒状放大器产生裂纹。为了消除温度梯度的不利影响，对棒状放大器进行有效的冷却是必须的。水对流冷却棒状放大器作为一种冷却快速，节能的冷却方式，被广泛应用于棒状放大器的冷却中。但是利用对流换热技术对棒状放大器进行冷却过程中，由于冷却水本身重力以及进口速度方向的影响，进入棒状放大器系统内的冷却介质在冷却通道内压力分布不均匀，冷却通道入口附近最低压力小于该处温度下被输送液体的饱和蒸汽压力时，液体便在冷却通道入口处开始气化而产生气泡；如果压力继续降低，气泡及其区域会逐渐增大和扩大，与此同时一部分原来可能溶解在液体中的某些活泼气体，也会由于压力降低而逸出重新成为气泡。产生的气泡随着液体不断被带走，又在原处不断产生新的气泡。当以上这些气泡随液流进入冷却通道高压区时，它们受压又会迅速凝缩甚至破碎消失。在气泡消失的瞬间，气泡周围的液体迅速进入气泡凝失产生的空穴，造成液体互相撞击。如果这些气泡在棒状放大器壁面附近破灭，则周围的液体以极高频率连续撞击棒状放大器表面。棒状放大器表面因冲击、疲劳而被破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸馏水冷却棒状放大器的装置，以解决棒状激光放大器泵浦过程中的能量沉积引起的光束质量偏差以及冷却水在棒状放大器圆周周围的压力分布不均及气泡的产生。从而实现大功率棒状放大器的均匀冷却。

本发明的技术解决方案如下：

一种棒状激光放大器均匀冷却装置，其特点在于，该装置由密封套头、水套管、冷却介质和激光棒四部分组成：

所述的密封套头包括外螺钉、压管、外密封圈、水套头、分流圈、内密封圈、压圈和内螺钉，

所述的水套头是一个套筒，自内向外依次是具有不同直径的同轴的第一阶梯孔、第二阶梯孔、水孔、第三阶梯孔和第四阶梯孔，所述的第三阶梯孔的直径与所述的激光棒的外径相等，所述的水孔的直径大于所述的激光棒的外径，该水孔壁上设有进水口或出水口，所述的第二阶梯孔的直径大于所述的水孔的直径，所述的第一阶梯孔的直径大于所述的第二阶梯孔的直径，所述的第四阶梯孔的直径大于第三阶梯孔的直径，所述的水套头内端面的圆周设有多个第一螺孔，在水套头外端面的圆周设有多个第二螺孔；

所述的分流圈是一个圆环片，该分流圈的内径与所述的激光棒的直径相同，分流圈的外径与所述的水套管的外径及第二阶梯孔的直径相同，该圆环片的周向均匀地分布的3～9个斜孔，斜孔的轴线与所述的激光棒的轴线成30o～60o角度；

所述的压圈是一个圆环，该圆环的内径大于所述的激光棒的外径，且一面为平面，另一面具有由内凸圆环平面和外圆环平面构成的阶梯面，所述的内圆环平面的外径与所述的水套头的第一阶梯孔直径相同，所述的外圆环平面的内径与所述的水套头的第一阶梯孔直径相同，外圆环平面的外径与所述的水套头的外径相同，在所述的外圆环平面构成上该压圈的法兰面，具有与所述的水套头的第二螺孔相对应的通孔或螺孔；

所述的压管是一个具有外延伸边的套管，该套管的内径与所述的激光棒的直径相同，该套管的外径与所述的水套头的第四阶梯孔的直径相同，该压管的外延伸边具有与所述的水套头外端面的第二螺孔相对应的通孔或螺孔；

所述的压圈的平面朝向所述的水套管套固在所述的水套管的一端，再在所述的水套管的外端设置内密封圈，将所述的水套管套在所述的激光棒外；在所述的水套头的第二阶梯孔内设置所述的分流圈；将水套头仔细地套在所述的激光棒的一端，使所述的水套头内的分流圈与所述的水套管贴合并压紧所述的内密封圈，所述的水套头的出水口朝上，然后调整所述的水套头，使水套头的压圈的法兰面的通孔与所述的水套头的端面的第一螺孔相对应，利用内螺钉拧入所述的通孔和第一螺孔将所述的水套头和压圈连结在一起；将所述的外密封圈置于所述的激光棒和所述的水套头的第四阶梯孔之间，将所述的压管套在所述的激光棒上，调节所述的压管使所述的压管的通孔与所述的水套头的第二螺孔相对应，利用外螺钉拧入通孔和第一螺孔将所述的水套头与所述的压管连结在一起，压迫所述的外密封圈形成密封； 

同样在所述的激光棒的另一端安装所述的密封套头，但所述的水套头的进水口朝下，所述的冷却介质由所述的激光棒另一端的密封套头的进水口进入，经分流圈在所述的水套管内绕所述的激光棒螺旋运动前进，经所述的激光棒的一端的密封套头的出水口流出。

一种棒状放大器的均匀冷却方法，其特点是棒状放大器圆周泵浦，抽运光方向与输出激光方向垂直，冷却阶段采用常温的蒸馏水作为冷却介质进行冷却，利用本装置的结构，使冷却介质在棒状增益介质表面形成环流流动，从而保证冷却介质在冷却通道内形成均匀的压力分布。不但有利于迅速冷却，同时也避免了冷却介质在冷却通道内的压力分布不均产生的气泡。

所述的冷却介质为室温的蒸馏水，冷却介质流速的下限为维持冷却介质处于湍流状态。

本发明的优点在于：

本发明结构简单，利用纯净的蒸馏水对棒状增益介质直进进行对流换热冷却，避免了冷却介质对棒状增益介质的污染的同时加快冷却速度；利用分流圈的进水口轴线与棒状增益介质轴线的夹角，使冷却介质进入冷却通道后形成环绕棒状增益介质表面的环流，这种流动方式不但可以令冷却介质压力分布变得均匀，而且可以避免冷却液体内部产生气泡；均匀有效的冷却使泵浦过程中棒状增益介质获得足够的能量增益，并且光束通过棒状放大器后能过获得优良的增益特性和增益均匀性。

附图说明

图1为本发明棒状放大器均匀冷却系统的剖视图。

图2为本发明密封套头的剖视图。

图3为本发明水套头的剖视图。

图4为本发明分流圈实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做详细说明。

先请参阅图1、2、3、4，图1为本发明的棒状放大器均匀冷却系统的剖视图，图2为本发明密封套头的剖视图，图3为本发明水套头的剖视图，图4为本发明分流圈一个实施例的示意图。分流圈周向分布六个斜孔，斜孔的轴线与分流圈轴线之间夹角为45o角。该分流圈可以令流经分流圈的冷却介质形成环绕棒状增益介质的环流。由图可见，本发明棒状激光放大器均匀冷却装置，该装置由密封套头1、水套管2、冷却介质3和激光棒4四部分组成：

所述的密封套头1包括外螺钉11、压管12、外密封圈13、水套头14、分流圈15、内密封圈16、压圈17和内螺钉18，参见图2，

所述的水套头14是一个套筒，自内向外依次是具有不同直径的同轴的第一阶梯孔142、第二阶梯孔143、水孔141、第三阶梯孔144和第四阶梯孔145，所述的第三阶梯孔144的直径与所述的激光棒4的外径相等，所述的水孔141的直径大于所述的激光棒4的外径，该水孔141壁上设有进水口或出水口，所述的第二阶梯孔143的直径大于所述的水孔141的直径，所述的第一阶梯孔142的直径大于所述的第二阶梯孔143的直径，所述的第四阶梯孔145的直径大于第三阶梯孔144的直径，所述的水套头14内端面的圆周设有多个第一螺孔，在水套头14外端面的圆周设有多个第二螺孔；

所述的分流圈15是一个圆环片，参见图4，该分流圈15的内径与所述的激光棒4的直径相同，分流圈15的外径与所述的水套管2的外径及第二阶梯孔143的直径相同，该圆环片的周向均匀地分布的6个斜孔151，斜孔151的轴线与所述的激光棒4的轴线成45o；

所述的压圈17是一个圆环，该圆环的内径大于所述的激光棒4的外径，且一面为平面，另一面具有由凸内圆环平面和外圆环平面构成的阶梯面，所述的凸内圆环平面的外径与所述的水套头14的第一阶梯孔142直径相同，所述的外圆环平面的内径与所述的水套头14的第一阶梯孔142的直径相同，外圆环平面的外径与所述的水套头14的外径相同，在所述的外圆环平面构成上该压圈17的法兰面，具有与所述的水套头14的第二螺孔相对应的通孔或螺孔；

所述的压管12是一个具有外延伸边的套管，该套管的内径与所述的激光棒4的直径相同，该套管的外径与所述的水套头14的第四阶梯孔145的直径相同，该压管12的外延伸边具有与所述的水套头14外端面的第二螺孔相对应的通孔或螺孔；

所述的压圈17的平面朝向所述的水套管2套固在所述的水套管2的一端上，再在所述的水套管2的外端设置内密封圈16，将所述的水套管2套在所述的激光棒4外；

在所述的水套头14的第二阶梯孔143内设置所述的分流圈15；将水套头14仔细地套在所述的激光棒4的一端，使所述的水套头14内的分流圈15与所述的水套管2贴合并压紧所述的内密封圈16，所述的水套头14的出水口朝上，然后调整所述的水套头14，使水套头14的压圈17的法兰面的通孔或螺孔与所述的水套头14的端面的第一螺孔相对应，利用内螺钉18拧入所述的通孔或螺孔和第一螺孔，将所述的水套头14和压圈17连结在一起；将所述的外密封圈13置于所述的激光棒和所述的水套头14的第四阶梯孔145之间，将所述的压管12套在所述的激光棒上，调节所述的压管12使所述的压管12的通孔或螺孔与所述的水套头14的第二螺孔相对应，利用外螺钉11拧入所述的通孔或螺孔和第一螺孔，将所述的水套头14与所述的压管12连结在一起，压迫所述的外密封圈（13）形成密封； 

同样在所述的激光棒4的另一端安装所述的密封套头1，但所述的水套头14的进水口朝下；

所述的冷却介质3由所述的激光棒4另一端的密封套头1的进水口进入，经分流圈15在所述的水套管2内绕所述的激光棒4螺旋运动前进，经激光棒4的一端的密封套头1的出水口流出。

本实施例的冷却系统的冷却通道由密封套头、水套管和激光棒之间的腔体构成，水套管与激光棒之间腔体的宽度为6mm。

本实施例中，纯石英水套管9套在增益介质4外，蒸馏水作为冷却介质，下进上出，整个水循环系统采用密封。冷却水保持15L/min的流量，保证棒放大器工作介质在15分钟内恢复工作温度。

冷却过程中，冷却蒸馏水3由一侧的密封套头1中的水套头14的水孔141进入，由于压力作用，蒸馏水水流流经分流圈15的六个周向均布的斜孔151，由于分流圈15的的斜孔151轴线与钕玻璃激光棒4的中心轴线成45o角，蒸馏水流经分流圈15的的斜孔151后，在钕玻璃激光棒4与水套管2之间的空腔内，形成环绕钕玻璃激光棒4的流动。水流流过钕玻璃激光棒4后，经过另一侧的密封套头1中的分流圈15的周向分布的六个的斜孔151，进入水套头14与钕玻璃激光棒4形成的空腔，由水套头14的水孔141流出整个激光放大装置，完成一次激光放大装置的冷却。

以上所述的具体描述，是对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不等同于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之外，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种棒状激光放大器均匀冷却装置，该装置由密封套头（1）、水套管（2）、冷却介质（3）和激光棒（4）四部分组成，其特征在于：

所述的密封套头（1）包括外螺钉（11）、压管（12）、外密封圈（13）、水套头（14）、分流圈（15）、内密封圈（16）、压圈（17）和内螺钉（18），

所述的水套头（14）是一个套筒，自内向外依次是具有不同直径的同轴的第一阶梯孔（142）、第二阶梯孔（143）、水孔（141）、第三阶梯孔（144）和第四阶梯孔（145），所述的第三阶梯孔（144）的直径与所述的激光棒（4）的外径相等，所述的水孔（141）的直径大于所述的激光棒（4）的外径，该水孔（141）壁上设有进水口或出水口，所述的第二阶梯孔（143）的直径大于所述的水孔（141）的直径，所述的第一阶梯孔（142）的直径大于所述的第二阶梯孔（143）的直径，所述的第四阶梯孔（145）的直径大于第三阶梯孔（144）的直径，所述的水套头（14）内端面的圆周设有多个第一螺孔，在水套头（14）外端面的圆周设有多个第二螺孔；

所述的分流圈（15）是一个圆环片，该分流圈（15）的内径与所述的激光棒（4）的直径相同，分流圈（15）的外径与所述的水套管（2）的外径及第二阶梯孔（143）的直径相同，该圆环片的周向均匀地分布的3～9个斜孔（151），斜孔（151）的轴线与所述的激光棒（4）的轴线成30°～60°角度；

所述的压圈（17）是一个圆环，该圆环的内径大于所述的激光棒（4）的外径，且一面为平面，另一面具有由凸内圆环平面和外圆环平面构成的阶梯面，所述的凸内圆环平面的外径与所述的水套头（14）的第一阶梯孔（142）直径相同，所述的外圆环平面的内径与所述的水套头（14）的第一阶梯孔（142）直径相同，外圆环平面的外径与所述的水套头（14）的外径相同，在所述的外圆环平面构成上该压圈（17）的法兰面，具有与所述的水套头（14）的第二螺孔相对应的通孔或螺孔；

所述的压管（12）是一个具有外延伸边的套管，该套管的内径与所述的激光棒（4）的直径相同，该套管的外径与所述的水套头（14）的第四阶梯孔（145）的直径相同，该压管（12）的外延伸边具有与所述的水套头（14）外端面的第二螺孔相对应的通孔或螺孔；

所述的压圈（17）的平面朝向所述的水套管（2）套固在所述的水套管（2）的一端上，再在所述的水套管（2）的外端设置内密封圈（16），将所述的水套管（2）套在所述的激光棒（4）外；

在所述的水套头（14）的第二阶梯孔（143）内设置所述的分流圈（15）；将水套头（14）仔细地套在所述的激光棒（4）的一端，使所述的水套头（14）内的分流圈（15）与所述的水套管（2）贴合并压紧所述的内密封圈（16），所述的水套头（14）的出水口朝上，然后调整所述的水套头（14），使水套头（14）的压圈（17）的法兰面通孔或螺孔与所述的水套头（14）的端面的第一螺孔相对应，利用内螺钉（18）拧入通孔或螺孔和第一螺孔将所述的水套头（14）和压圈（17）连结在一起；将所述的外密封圈（13）置于所述的激光棒和所述的水套头（14）的第四阶梯孔（145）之间，将所述的压管（12）套在所述的激光棒上，调节所述的压管（12）使所述的压管（12）的通孔或螺孔与所述的水套头（14）的第二螺孔相对应，利用外螺钉（11）拧入所述的通孔或螺孔和第一螺孔，将所述的水套头（14）与所述的压管（12）连结在一起，压迫所述的外密封圈（13）；

同样在所述的激光棒（4）的另一端安装所述的密封套头（1），但所述的水套头（14）的进水口朝下；

所述的冷却介质（3）由所述的激光棒（4）另一端的密封套头（1）的进水口进入，经分流圈（15）在所述的水套管（2）内绕所述的激光棒（4）螺旋运动，经激光棒（4）的一端的密封套头（1）的出水口流出。