CN103219636B - 灯泵侧泵激光器的冷却方法和冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灯泵侧泵激光器的冷却方法，所述灯泵侧泵激光器包括激光腔和在激光腔内放置有激光晶体棒和氙灯，所述激光腔为椭圆形，且激光晶体棒和氙灯放置在椭圆的焦点附近，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，对于不能水冷的灯泵侧泵激光器进行冷却的问题。

Description

灯泵侧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，具体涉及灯泵侧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法和冷却装置，以应用于不方便使用水冷的地方，例如飞机的激光雷达系统。

背景技术

氙灯泵浦固体激光器有大量的热损耗，必须对激光工作物质、氙灯进行冷却。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，将激光晶体棒直接安装在散热器上，保持激光晶体棒与散热器之间良好的热接触。激光晶体棒固定到散热器的方式有机械夹固、焊接或粘结。由于激光晶体棒热效应的存在，本身晶体棒内部的热分布就不均匀，同时由于激光晶体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。同时，在高注入功率的情况下，氙灯的热效应也非常严重，这种方式不能对氙灯进行完全冷却。

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包括水泵、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激光晶体棒和灯的表面，灯和激光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和闪光灯。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，如果迫使低压气流进入小激光腔，同时又保持高传热效率，将会遇到很多困难，氙灯和激光晶体棒都来不及冷却，热效应就得到严重的积累，最后导致氙灯或激光晶体棒炸裂。

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，对高注入功率的灯泵侧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，本发明提出一种灯泵侧泵激光器的冷却方法，所述灯泵侧泵激光器包括激光腔和在激光腔内放置有激光晶体棒和氙灯，所述激光腔为椭圆形，且激光晶体棒和氙灯放置在椭圆的焦点附近，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。

本发明还提出一种灯泵侧泵激光器的冷却装置，所述灯泵侧泵激光器包括激光腔和在激光腔内放置有激光晶体棒和氙灯，所述激光腔为椭圆形，且激光晶体棒和氙灯放置在椭圆的焦点附近，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。

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，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，所述喷雾装置的排数为3排或4排。

根据本发明的一种具体实施方式，所述激光腔的底部具有聚水管，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灯泵侧泵激光器，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，对于不能水冷的的灯泵侧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，该实施例是应用于高反射椭圆柱腔的冷却方法与装置；

图2是本发明的实施例二的示意图，该实施例是应用于紧耦合椭圆腔的冷却方法与装置；

图3是本发明的实施例三的示意图，该实施例是应用于焦外腔的冷却方法与装置。

具体实施方式

为了解决现有的灯泵侧泵激光器的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响应的冷却装置，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灯泵侧泵激光器，是一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方式。

灯泵激光器采用侧泵的泵浦方式，包括聚光腔和在激光腔内放置有激光晶体棒和氙灯，一般情况下，激光腔为椭圆形，或近椭圆形，激光晶体棒和氙灯放置在椭圆的焦点附近；

根据本发明，在激光腔的腔壁上设置多个喷雾装置，该喷雾装置用于向激光腔内喷射水雾，所述水雾将激光晶体棒吸收半导体激光后，由于量子亏损等原因引起的热量带走。并且，根据本发明，在激光腔中与激光晶体棒平行的方向上设置一个进风口和出风口，使激光腔内的气流从进风口向出风口流动，将加快带走剩余热量：单纯喷雾可能有水滴沉积，沉积后减缓带走剩余热量的速度；单纯风冷，与激光晶体棒空气接触，散热效果远不及喷雾风冷冷却效果。

根据本发明的一种具体实施方式，在所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。优选地，使所述回收水箱中的水能够被所述喷雾装置回收利用。

所述激光腔上均匀地开有N个狭缝，排布有N排喷雾装置，当氙灯的注入功率较高时，需要较多的喷雾装置；而氙灯的注入功率较低时，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，氙灯和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，氙灯和激光晶体棒上存在被重复喷雾蒸发的区域，因此本发明N优选为3或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，当氙灯的注入功率较高时，需要较密的喷雾装置；而氙灯的注入功率较低时，需要较稀的喷雾装置。在实验中可以发现，当喷雾装置间隔为8mm时，氙灯和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，氙灯和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，氙灯和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，氙灯和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，氙灯和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，当喷雾装置的流量为4mL/min，氙灯和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，氙灯和激光晶体棒上喷附的小水珠过小，小水珠的蒸发速度过快，不利于保持氙灯和激光晶体棒的温度恒定，当小水珠的直径大致为120μm时，氙灯和激光晶体棒上喷附的小水珠过大，小水珠的蒸发速度过慢，不利于保持氙灯和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，不利于保持氙灯和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，不利于保持氙灯和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。

所述的一种灯泵侧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灯泵侧泵激光器，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式，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：

实施例一采用侧泵的泵浦方式，如附图1所示其中3为激光腔，激光腔采用高反射椭圆柱腔，激光晶体棒和氙灯分别置于两个焦点上，该椭圆结构基于几何原理，从椭圆的一个焦点发出的光被反射到另一个焦点，因此，椭圆柱腔将位于一个焦点线的直管灯的发出能量转移到位于第二个焦点的激光介质。在激光腔内放置有激光晶体和氙灯，其中1为激光晶体棒，2为氙灯；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4、5、6、7为4排喷雾装置，其中N＝4；所述每排喷雾装置，每隔L1设置一个喷雾点，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(未示出)，吹风流量为P2，其中P2＝1.2L/min；所激光腔3的腔体的底部具有聚水管8，聚水管8连接到回收水箱9，回收水箱9上具有水位监测器(未示出)，回收水箱中的水能够被喷雾装置4、5、6、7回收利用。

实施例二：

实施例二采用侧泵的泵浦方式，如附图2所示其中3为激光腔，激光腔采用紧耦合椭圆腔，激光晶体棒和氙灯在椭圆柱中的间隔很近，通常是效率最高的泵浦腔。在激光腔内放置有激光晶体棒和氙灯，其中1为激光晶体棒，2为氙灯；在与激光晶体棒1的垂直方向上，激光腔上均匀地开有N个狭缝，排布有N排喷雾装置，其中4、5、6、7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1平行的方向上，设置有进风口和出风口(未示出)，吹风流量为P2，其中P2＝1.35L/min；所激光腔3的底部具有聚水管8，聚水管8连接到回收水箱9，回收水箱9上具有水位监测器，回收水箱中的水能够被喷雾装置4、5、6、7回收利用。

实施例三：

实施例三采用侧泵的泵浦方式，如附图3所示其中3为激光腔，激光腔采用焦外腔，激光晶体棒和氙灯不在椭圆激光腔的两个焦点上。在椭圆柱腔中，通过激光晶体棒的辐射光在谐振腔中被反射时会出现散焦，而不再进入激光晶体棒，采用焦外型腔，聚焦就会稍微得到改善，但是腔壁的反射次数将大幅增加，因此系统效率将非常依赖于腔壁的反射。在激光腔内放置有激光晶体棒和氙灯，其中1为激光晶体棒，2为氙灯；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4、5、6、7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1平行的方向上，设置有进风口和出风口(未示出)，吹风流量为P2，其中P2＝1.2L/min；所激光腔3的底部具有聚水管8，聚水管8连接到回收水箱9，回收水箱9上具有水位监测器，回收水箱中的水能够被喷雾装置4、5、6、7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 (6)

1.一种灯泵侧泵激光器的冷却方法，所述灯泵侧泵激光器包括激光腔和在激光腔内放置有激光晶体棒和氙灯，所述激光腔为椭圆形，且激光晶体棒和氙灯放置在椭圆的焦点附近，其特征在于，所述方法包括：

沿着所述激光晶体棒的长度方向在所述激光腔的内侧腔壁上开设的多条狭缝中均匀地设置多排喷雾装置，使一条狭缝对应一排喷雾装置，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所述的灯泵侧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。

3.一种灯泵侧泵激光器的冷却装置，所述灯泵侧泵激光器包括激光腔和在激光腔内放置有激光晶体棒和氙灯，所述激光腔为椭圆形，且激光晶体棒和氙灯放置在椭圆的焦点附近，其特征在于，所述装置包括：

多排喷雾装置，沿着所述激光晶体棒的长度方向均匀地设置在所述激光腔的内侧腔壁上开设的多条狭缝中，以便一条狭缝对应一排喷雾装置，该喷雾装置用于向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。

4.如权利要求3所述的灯泵侧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。

5.如权利要求3或4所述的灯泵侧泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述激光腔的底部具有聚水管，所述聚水管连接到回收水箱。

6.如权利要求5所述的灯泵侧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。