CN103199413A

CN103199413A - 端泵激光器的冷却方法和冷却装置

Info

Publication number: CN103199413A
Application number: CN2013101065687A
Authority: CN
Inventors: 赵伟芳; 林学春; 侯玮; 于海娟; 伊肖静; 李晋闽
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: CN103199413B

Abstract

本发明公开了一种端泵激光器的冷却方法，所述端泵激光器包括激光腔和位于激光腔内的激光晶体棒，其采用端泵的泵浦方式，将泵浦激光聚焦在激光晶体棒内部，所述方法包括：在所述激光腔的腔壁上设置多个喷雾装置，该喷雾装置向所述激光晶体棒喷射水雾；在激光腔中与激光晶体棒平行的方向上设置进风口和出风口，使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。本发明提供了一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方法和冷却装置，成功的解决了在高注入功率情况下，对于不能水冷的端泵激光器进行冷却的问题。

Description

端泵激光器的冷却方法和冷却装置

技术领域

本发明属于固体激光器技术领域，具体涉及一种端泵激光器的冷却方法和冷却装置，特别涉及一种可以用于在高注入功率的情况下实现风冷的冷却方式，以应用于不方便使用水冷的地方，例如直升飞机的激光雷达系统中的激光源。

背景技术

固体激光器在高功率运转的条件下，由于增益介质内部的温度梯度分布产生的热效应在激光输出模式的畸变中占据着主导地位，热效应产生的畸变将导致其输出功率的不稳定性和多种模式之间的耦合，同时还限制了激光功率的提高，严重影响了固体激光器的性能。

产生热效应的原因主要有：1)泵浦带与上能级之间的光子能差以热的方式散逸到基质晶格中，造成所谓的量子亏损发热；2)与此类似，下能级与基能级之间的能差转化为热能；3)因为激光跃迁的荧光过程的量子效率小于1，所以除了产生激光能量以外，其余的能量由于激光淬灭而产生热；4)弧光灯或闪光灯的光谱分布宽，使得基质材料对光能有大的吸收而产生热，吸收主要发生在紫外带和红外带。

由于端泵固体激光器有大量的热损耗，必须对激光工作物质进行冷却。现有的冷却方式有传导冷却、液体冷却和风冷方式。

在激光器系统中采用传导冷却的方式，将激光棒直接安装在散热器上，保持激光棒与散热器之间良好的热接触。激光棒固定到散热器的方式有机械夹固、焊接或粘结。由于激光晶体热效应的存在，本身晶体棒内部的热分布就不均匀，同时由于激光棒与散热器之间的接触面不可能完全接触，只能部分接触，引起内部的热分布将分布更不均匀。

在激光器系统中采用液体冷却的方式，消散激光介质、泵浦源和激光腔内产生的热。在通常的情况下，是利用闭合回路冷却系统冷却，其最基本的元件至少有水泵、热交换器和水箱。冷却设备除上述元件外，还有粒子过滤器、水软化器、水测量仪和监控流量、温度、压强的传感器。如果使用普通的自来水，就必须定期消除有机物和矿物沉淀物形成的垢。冷却液在压力的作用下流经晶体棒的表面，晶体棒安装在液流管之间，或是激光头主体的冷却箱中。需要冷却的元件和液体之间的温差是液流速度和冷却特性造成的。在液流速度较低时，流动是分层的，绝大部分温降是由于液体界面静止边缘层的单纯热传导的结果；液流速度较高时会产生湍流，传热更有效，温度下降幅度更大。对于对环境要求不高的地方，使用液体冷却是个不错的方案，但是液体冷却所带有的水箱等附属设备较多，在空间有限的地方不方便使用，所以液体冷却导致冷却结构复杂，需要配备水箱，限制了激光器的使用范围。

在激光器系统中采用风冷的方式，在低平均功率激光器尤其是便携式系统中，有时候利用风冷来冷却激光晶体棒。小型轴流或离心风扇能够产生气流，冷却激光头所需的气流决定于棒吸收的热量和气流方向的最大温差。在高注入功率的情况下，如果迫使低压气流通过流过激光晶体棒表面来实现冷却，将会遇到很多困难，激光晶体棒来不及冷却，热效应就得到严重的积累，最后导致激光晶体棒炸裂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是在不能采用水冷的情况下，对高注入功率的端泵激光器进行有效地冷却。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种端泵激光器的冷却方法，所述端泵激光器包括激光腔和位于激光腔内的激光晶体棒，其采用端泵的泵浦方式，将泵浦激光聚焦在激光晶体棒内部，所述方法包括：在所述激光腔的腔壁上设置多个喷雾装置，该喷雾装置向所述激光晶体棒喷射水雾；在激光腔中与激光晶体棒平行的方向上设置进风口和出风口，使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。

根据本发明的一种具体实施方式，所述多排喷雾装置沿着所述激光晶体棒的长度方向设置，各排喷雾装置均匀地分布在所述腔壁的内侧。

根据本发明的一种具体实施方式，该方法还包括：在所述激光腔的内侧腔壁上开设多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，使一条狭缝对应一排喷雾装置。

根据本发明的一种具体实施方式，所述喷雾装置的排数为3排或4排。

本发明还提出一种端泵激光器的冷却装置，所述端泵激光器包括激光腔和位于激光腔内的激光晶体棒，其采用端泵的泵浦方式，将泵浦激光聚焦在激光晶体棒内部，所述装置包括：多个喷雾装置，设置在所述激光腔的腔壁，该喷雾装置用于所述激光晶体棒喷射水雾；进风口和出风口，设置于激光腔中且与所述激光晶体棒平行的方向上，用于使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。

根据本发明的一种具体实施方式，所述激光腔的内侧腔壁上开设有多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，以便一条狭缝对应一排喷雾装置。

根据本发明的一种具体实施方式，所属激光腔体的底部具有聚水管，所述聚水管连接到回收水箱

根据本发明的一种具体实施方式，所述回收水箱中的水能够被喷雾装置回收利用。

(三)有益效果

本发明将风冷和喷雾蒸发冷却这两种冷却技术复合后应用于端泵激光器，提供了一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方法和冷却装置，成功的解决了在高注入功率情况下，对于不能水冷的的端泵激光器进行冷却的问题。

附图说明

图1是本发明的实施例一的示意图，该实施例是应用于方形的激光腔体和方形的激光晶体棒的冷却方法与装置；

图2是本发明的实施例二的示意图，该实施例是应用于方形的激光腔体和圆形的激光晶体棒的冷却方法与装置；

图3是本发明的实施例三的示意图，该实施例是应用于圆形的激光腔体和圆形的激光晶体棒的冷却方法与装置。

具体实施方式

为了解决现有端泵激光器的几种冷却方式所存在的问题，本发明提供了一种可实现在高注入功率的情况下，在空间及不具备水冷条件的情况下，使用风冷达到水冷的冷却效果的一种冷却方法和相应的冷却装置。本发明能够成功地将“风冷+喷雾蒸发冷却”这种复合冷却技术应用于端泵激光器，是一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方式。

端泵激光器包括激光腔和位于激光腔内的激光晶体棒，其采用端泵的泵浦方式，将泵浦激光聚焦在激光晶体棒内部；根据本发明的一种具体实施方式，在所属激光腔的底部具有聚水管，由喷雾所产生的凝结水经激光腔底部后流入聚水管，聚水管连接到回收水箱，回收水箱上具有水位监测器，回收水箱中的水能够被喷雾装置回收利用。

所述激光腔上均匀地开有N个狭缝，排布有N排喷雾装置，当端泵注入晶体的功率较高时，需要较多的喷雾装置；而端泵注入晶体的功率较低时，需要较少的喷雾装置。在实验中可以发现，当只有2个喷雾装置时，激光晶体棒不能完全实现喷雾蒸发的效果；当有5个喷雾装置时，激光晶体棒上存在被重复喷雾蒸发的区域，因此本发明优选为3≤N≤4，更优选为N＝3。

所述每排喷雾装置，每隔L1设置一个喷雾装置，当端泵注入晶体的功率较高时，需要较密的喷雾装置；而端泵注入晶体的功率较低时，需要较稀的喷雾装置。在实验中可以发现，当喷雾点间隔为8mm时，激光晶体棒存在被重复喷雾蒸发的区域，当喷雾装置间隔为12mm时，激光晶体棒上存在未被喷雾蒸发的区域，由此，本发明优选每排喷雾装置中的各喷雾装置的距离L1满足8mm≤L1≤12mm，更优选为9mm≤L1≤11mm，以L1＝10mm最佳。

所述喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为L2，当喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为3mm时，激光晶体棒存在被重复喷雾蒸发的区域，当喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为5mm时，激光晶体棒上存在未被喷雾蒸发的区域，因此本发明优选为3mm≤L2≤5mm，更优选为L2＝4mm。

所述每个喷雾装置的流量为P1，当喷雾装置的流量为2mL/min，激光晶体棒上喷附的小水珠过少，不能完全达到喷雾蒸发的效果，当喷雾点的流量为4mL/min，激光晶体棒上喷附的小水珠过多，在给定的气流下，喷雾蒸发后还残留有小水珠，因此本发明优选为2mL/min≤P1≤4mL/min，更优选为P1＝3mL/min。

所述喷雾所产生的小水珠的直径为R2，当小水珠的直径大致为80μm时，激光晶体棒上喷附的小水珠过小，小水珠的蒸发速度过快，不利于保持激光晶体棒的温度恒定，当小水珠的直径大致为120μm时，激光晶体棒上喷附的小水珠过大，小水珠的蒸发速度过慢，不利于保持激光晶体棒的温度恒定，因此，本发明优选为80μm≤R2≤120μm，更优选为R2＝100μm。

在与激光晶体棒平行的方向上，设置有进风口和出风口，吹风流量为P2，当吹风流量为1L/min时，风速过慢，蒸发的速度也相应减慢，不利于保持激光晶体棒的温度恒定，当吹风流量为1.5L/min时，风速过快，蒸发的速度也相应加快，不利于保持激光晶体棒的温度恒定，由此，本发明优选为1.0L/min≤P2≤1.5L/min，更优选为P2＝1.3L/min。

所述的端泵激光器中的激光晶体棒可以是圆形的也可以是方形的。

所述的一种端泵激光器的冷却方式，本发明提供了一种可实现在高注入功率的情况下，在空间及不具备水冷条件的情况下，使用风冷达到水冷的冷却效果的一种冷却方法和冷却装置，本发明能够成功地将“风冷+喷雾蒸发冷却”这种复合冷却技术应用于端泵激光器，提供了一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方式，成功的解决了在高注入功率情况下，不能水冷的情况下的激光器冷却问题。

通过上述风冷+喷雾蒸发的复合冷却方法，达到了1+1＞2的效果，使得激光器在特定环境下的冷却问题得到了解决，扩展了激光器可以使用的范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：

实施例一采用端泵泵浦方式，如附图1所示其中2为包覆晶体的方形激光腔体，泵浦光从经过聚焦后在晶体内部聚焦。在腔体内放置有激光晶体，其中1为方形的激光晶体棒；在与激光晶体棒垂直方向上，激光腔上均匀地开有N个狭缝，排布有N排喷雾装置，其中3、4、5、6为4排喷雾装置，其中N＝4；所述每排喷雾装置，每隔L1设置一个喷雾装置，其中L1＝11mm；所述喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为L2，其中L2＝4mm；所述每个喷雾装置的流量为P1，其中P1＝3.5mL/min；所述喷雾所产生的小水珠的直径控制在R2，其中R2＝110μm；在与激光晶体棒平行的方向上，设置有进风口和出风口，吹风流量为P2，其中P2＝1.2L/min；所属激光腔2的腔体的底部具有聚水管，聚水管连接到回收水箱，回收水箱上具有水位监测器，回收水箱中的水能够被喷雾装置回收利用。

实施例二：

实施例二采用端泵泵浦方式，如附图2所示其中2为包覆晶体的方形激光腔体，泵浦光从经过聚焦后在晶体内部聚焦。在腔体内放置有激光晶体，其中1为圆形的激光晶体；在与激光晶体棒垂直方向上，激光腔上均匀地开有N个狭缝，排布有N排喷雾装置，其中3、4、5、6为4排喷雾装置，其中N＝4；所述每排喷雾装置，每隔L1设置一个喷雾装置，其中L1＝10mm；所述喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为L2，其中L2＝4.5mm；所述每个喷雾装置的流量为P1，其中P1＝3mL/min；所述喷雾所产生的小水珠的直径控制在R2，其中R2＝100μm；在与激光晶体棒平行的方向上，设置有进风口和出风口，吹风流量为P2，其中P2＝1.35L/min；所属激光腔2的腔体的底部具有聚水管，聚水管连接到回收水箱，回收水箱上具有水位监测器，回收水箱中的水能够被喷雾装置回收利用。

实施例三：

实施例三采用端泵泵浦方式，如附图3所示其中2为包覆晶体的圆形激光腔体，泵浦光从经过聚焦后在晶体内部聚焦。在腔体内放置有激光晶体，其中1为圆形的激光晶体；在与激光晶体棒垂直方向上，激光腔上均匀地开有N个狭缝，排布有N排喷雾装置，其中3、4、5、6为4排喷雾装置，其中N＝4；所述每排喷雾装置，每隔L1设置一个喷雾装置，其中L1＝10.5mm；所述喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为L2，其中L2＝3.5mm；所述每个喷雾装置的流量为P1，其中P1＝3mL/min；所述喷雾所产生的小水珠的直径控制在R2，其中R2＝90μm；在与激光晶体棒平行的方向上，设置有进风口和出风口，吹风流量为P2，其中P2＝1.2L/min；所属激光腔2的腔体的底部具有聚水管，聚水管连接到回收水箱，回收水箱上具有水位监测器，回收水箱中的水能够被喷雾装置回收利用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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

1.一种端泵激光器的冷却方法，所述端泵激光器包括激光腔和位于激光腔内的激光晶体棒，其采用端泵的泵浦方式，将泵浦激光聚焦在激光晶体棒内部，其特征在于，所述方法包括：

在所述激光腔的腔壁上设置多个喷雾装置，该喷雾装置向所述激光晶体棒喷射水雾；

在激光腔中与激光晶体棒平行的方向上设置进风口和出风口，使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。

2.如权利要求1所述的端泵激光器的冷却方法，其特征在于，所述多排喷雾装置沿着所述激光晶体棒的长度方向设置，各排喷雾装置均匀地分布在所述腔壁的内侧。

3.如权利要求2所述的端泵激光器的冷却方法，其特征在于，该方法还包括：在所述激光腔的内侧腔壁上开设多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，使一条狭缝对应一排喷雾装置。

4.如权利要求3所述的半导体端泵激光器的冷却方法，其特征在于，所述喷雾装置的排数为3排或4排。

5.一种端泵激光器的冷却装置，所述端泵激光器包括激光腔和位于激光腔内的激光晶体棒，其采用端泵的泵浦方式，将泵浦激光聚焦在激光晶体棒内部，其特征在于，所述装置包括：

多个喷雾装置，设置在所述激光腔的腔壁，该喷雾装置用于所述激光晶体棒喷射水雾；

进风口和出风口，设置于激光腔中且与所述激光晶体棒平行的方向上，用于使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。

6.如权利要求5所述的端泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述多排喷雾装置沿着所述激光晶体棒的长度方向设置，各排喷雾装置均匀地分布在所述腔壁的内侧。

7.如权利要求6所述的端泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述激光腔的内侧腔壁上开设有多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，以便一条狭缝对应一排喷雾装置。

8.如权利要求7所述的端泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述喷雾装置的排数为3排或4排。

9.如权利要求5至7中任一项所述的端泵激光器的冷却装置，其特征在于，所属激光腔体的底部具有聚水管，所述聚水管连接到回收水箱。

10.如权利要求9所述的端泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述回收水箱中的水能够被喷雾装置回收利用。