CN103236625A - 激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置和匹配方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置和匹配方法，匹配装置的构成包括：增益介质、折射率匹配冷却液、增益介质腔、循环泵、热交换器、可调恒温槽、恒温液体和泵浦源。本发明有效地保持了冷却液与固体激光增益介质之间良好的折射率匹配，从而抑制了增益介质和冷却液之间各个界面的反射和折射带来的损耗。实验表明，可将反射/折射损耗降低至小于0.02cm-1。

Description

激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置和匹配方法
技术领域
本发明涉及激光器，特别是一种激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置和匹配方法。
背景技术
近年来，一种折射率匹配的直接浸没式冷却的高功率激光技术引起国内外广泛的关注，该技术是将固体激光增益介质浸没在与之折射率相同的循环流动冷却的冷却液中进行直接冷却，可实现高的表面积-体积比以提高散热效率和改善温度均匀性，同时折射率的匹配可以消除固体激光增益介质热应力下产生的面型畸变的影响，同时也降低了对相应固体器件的加工面型精度的要求。该技术有望大幅度改善高功率激光系统的热管理水平，提高热负载能力，因而具有重大的现实意义。在美国国防部先进研究项目局（Defence Advanced Research Projects Agency）开展的高能液体激光区域防御系统（High Energy Liquid Laser AreaDefence System）项目中，作为两家竞标公司之一的通用原子能公司的设计方案正是采用这种设计。该设计方案中激光光束通过一系列浸没在循环冷却的折射率匹配冷却液中的固体激光增益介质薄片进行放大。该系统由两个75KW的模块共同组建成一个激光振荡器，实现了最高150KW的输出（Laser containing a distributed gain medium,Michael D.Perry,Paul S.Banks,Jason Zweiback,Robert W.Schleicher,UnitedStates Patent:US7,366,211,B2(2008)）。国内也要采用类似设计的报道，该报道中采用折射率匹配冷却液浸没冷却的钕玻璃微球阵列结构，也实现了稳定可靠的激光输出(A neodymium fluid laser:Laseremission in circulating state,Chaoqi Hou,Haitao Guo,Jiangbo She,Xiaoxia Cui,Zebang Qiao,Fei Gao,Min Lu,Wei Wei,Po Peng,Optics&Laser Technology(2012))。而该激光技术的核心关键就是实现折射率的匹配。如果在激光器工作过程中，折射率匹配冷却液与固体激光增益介质之间无法实现良好的折射率匹配，会带来严重的损耗以及波前的畸变。而截至目前，尚无直接回答如何实现激光器工作条件下的折射率匹配的文献报道。
发明内容
本发明的技术解决问题在于提供一种激光器的增益介质与浸没式冷却液的匹配装置和匹配方法，该方法有效地保持了冷却液与固体激光增益介质之间良好的折射率匹配，从而抑制了增益介质和冷却液之间各个界面的反射和折射带来的损耗。实验表明，可将反射/折射损耗降低至小于0.02cm-1。
本发明技术解决方案如下：
一种激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置,特点在于其构成包括：增益介质腔、增益介质、折射率匹配冷却液、热交换器、循环泵、可调恒温槽、恒温液体和泵浦源，所述的增益介质置于所述的增益介质腔中，该增益介质腔具有折射率匹配冷却液的输入口和输出口，所述的热交换器内的恒温液体经所述的可调恒温槽循环，所述的增益介质腔的输出口经管路依次经所述的循环泵、热交换器内的热交换管路、管路和所述的增益介质腔的输入口构成一封闭的环路，所述的折射率匹配冷却液置于并充满所述的增益介质腔和所述的环路，所述的折射率匹配冷却液在所述的循环泵的驱动下在所述的增益介质腔和热交换器内循环运动。所述的增益介质为片状激光介质、圆柱体状激光介质或其他不规则激光介质。
用于上述的激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置的折射率匹配冷却液的匹配方法，该方法包括下列步骤：
①选取折射率分别高于和低于所述的激光增益介质的折射率的溶剂混合来配置折射率匹配冷却液，设激光器采用的固体激光增益介质折射率为ns,，两种溶剂常温下的折射率分别为n1(n1＜ns)，n2(n2＞ns)，要求所选溶剂彼此互溶并不与所接触到的其他材料发生反应，低毒性，低腐蚀性，对泵浦光和输出信号光的吸收系数小于0.01cm-1；
②根据所述的增益介质腔和折射率匹配冷却液管路确定折射率匹配冷却液的总量，调整选定的两种溶剂比例直至混合溶剂的折射率为ns，测量混合溶剂的比热容Cl，混合溶剂的温度折射率系数K，混合溶剂的密度ρl，再调整两种溶剂的比例直至混合溶剂即折射率匹配冷却液的折射率为：
n0＝ns-KWp/2ClρlFl，
其中，Fl为折射率匹配冷却液的流量，Wp为泵浦光的热功率；
③将所述的折射率匹配冷却液置于所述的激光增益介质腔中，开启循环泵使折射率匹配冷却液所在循环系统流量达到Fl，再开启激光泵浦源，待从激光增益介质腔流出的折射率匹配冷却液的温度不再变化后，通过所述的可调恒温槽缓慢微调注入增益介质腔的折射率匹配冷却液的温度，观察激光器输出功率/能量的变化，若升温导致激光器输出功率/能量降低，则缓慢降温直至激光器输出功率/能量不再升高，反之则继续缓慢升温，直至输出激光功率/能量达到最大，此时实现了激光器工作条件下最佳折射率匹配。
通过配置折射率匹配冷却液时的折射率预调制和激光器工作状态下对折射率匹配冷却液的温度调制，实现浸没式冷却的激光器在工作状态下的最佳折射率匹配。激光器的泵浦光按照其转换效率，只有部分转化成激光输出，剩余绝大部分转化为系统内部的热沉积，导致固体增益介质以及冷却液的升温。由于液体的温度-折射率系数（Δn/ΔT：折射率随温度的变化率）比固体大1～2个数量级，同时，液体折射率随温度升高而降低，而对于正温度-折射率系数的固体，其折射率随温度升高而升高，对于负温度-折射率系数的固体，其折射率随着温度升高而降低，因此温度的升高会导致固体-液体折射率不同的变化。折射率预调制是指：在常温下配置折射率匹配冷却液时，通过调整组分将匹配液的折射率提高至高于固体介质折射率的某一特定值，使得激光器在泵浦光作用下实现稳定工作和稳态温升时，温升后的冷却液折射率与固体介质折射率趋于相同。激光器工作状态下对折射率匹配冷却液的温度调制是指：由于激光介质的构型，材料以及工作条件（匹配液流量等）的不同，激光器实现稳态温度分布后，固体介质的温升会有所不同，导致固体介质折射率会出现不同程度的变化（远小于同样温升下液体折射率的变化）。此时，通过调制折射率匹配冷却液的温度，实现对匹配液折射率的调制，直至激光器工作条件下实现折射率的最佳匹配。温度调制的折射率的变化范围为：（n0,n1），n0为常温下匹配液的折射率，n1为匹配液凝固点温度的折射率，若固体激光介质的折射率变化在此范围内，则可实现折射率匹配。定义Ks为固体介质的温度折射率系数，则当固体介质温升ΔTs＜(n1-n0)/Ks时，本发明所述方法适用。
本发明的技术效果：
在泵浦源的照射下，有效保持了冷却液与固体激光增益介质之间良好的折射率匹配，从而抑制了元件和冷却液之间各个界面的反射和折射带来的损耗。实验表明，可将反射/折射损耗降低至小于0.02cm-1。
附图说明
图1为本发明实施例1的原理示意图
图2为本发明实施例2的原理示意图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明所述方法作进一步说明。该实施例以解释本发明的方式提供，而非本发明的限制。
先请参阅图1，图1为本发明实施例1的原理示意图，由图可见，本发明激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置,构成包括：增益介质腔3、增益介质1、折射率匹配冷却液2、热交换器5、循环泵4、可调恒温槽6、恒温液体7和泵浦源8，所述的增益介质1置于所述的增益介质腔3中，该增益介质腔3具有折射率匹配冷却液2的输入口和输出口，所述的热交换器5内的恒温液体7经所述的可调恒温槽6循环，所述的增益介质腔3的输出口经管路依次经所述的循环泵4、热交换器5内的热交换管路、管路和所述的增益介质腔3的输入口构成一封闭的环路，所述的折射率匹配冷却液2置于并充满所述的增益介质腔3和所述的环路，所述的折射率匹配冷却液2在所述的循环泵4的驱动下在所述的增益介质腔3和热交换器5内循环运动。所述的增益介质1为片状激光介质。
用于激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置实施例述1的折射率匹配冷却液的匹配方法，该方法包括下列步骤：
①选取折射率分别高于和低于所述的激光增益介质1的折射率的溶剂混合来配置折射率匹配冷却液，设激光器采用的固体激光增益介质折射率为ns,，两种溶剂常温下的折射率分别为n1(n1＜ns)，n2(n2＞ns)，要求所选溶剂彼此互溶并不与所接触到的其他材料发生反应，低毒性，低腐蚀性，对泵浦光和输出信号光的吸收系数小于0.01cm-1；
②根据所述的增益介质腔（3）和折射率匹配冷却液管路确定折射率匹配冷却液的总量，调整选定的两种溶剂比例直至混合溶剂的折射率为ns，测量混合溶剂的比热容Cl，混合溶剂的温度折射率系数K，混合溶剂的密度ρl，再调整两种溶剂的比例直至混合溶剂即折射率匹配冷却液的折射率为：
n0＝ns-KWp/2ClρlFl，
其中，Fl为折射率匹配冷却液的流量，Wp为泵浦光的热功率；
③将所述的折射率匹配冷却液置于所述的激光增益介质腔3中，开启循环泵4使折射率匹配冷却液所在循环系统流量达到Fl，再开启激光泵浦源8，待从激光增益介质腔3流出的折射率匹配冷却液的温度不再变化后，通过所述的可调恒温槽6缓慢微调注入增益介质腔3的折射率匹配冷却液2的温度，观察激光器输出功率/能量的变化，若升温导致激光器输出功率/能量降低，则缓慢降温直至激光器输出功率/能量不再升高，反之则继续缓慢升温，直至输出激光功率/能量达到最大，此时实现了激光器工作条件下最佳折射率匹配。
实施例1：本实施例中的固体激光介质单元1材料为Nd:YLF(Nd:LiYF4)，以晶体中寻常光（o光）传播方向为增益介质中激光的传播方向，常温20℃下o光折射率ns=1.4481，选取乙酸乙酯和液体石蜡的混合溶剂来配置折射率匹配冷却液2，两者室温20℃下的折射率分别为1.3406，1.4677，室温下调配两者混合比例直至混合溶剂折射率与固体激光介质1的折射率相同，测得此时混合溶剂密度0.88g/cm3，温度折射率系数为-11×10-4/℃，比热容为2.4kJ/(kg.K)。本实施例中泵浦光9的热功率10KW，折射率匹配冷却液2的流量为3L/s。代入式（1），得到n0=1.4490，依此调整二溴乙烷与四溴乙烷的比例直至混合溶剂（折射率匹配冷却液2）的折射率为1.4490。
然后，构建如图1所示硬件。将一组4片薄片状固体激光增益介质单元1安装在增益介质腔3中,固体激光增益介质单元1尺寸为：100mm×120mm×2mm，增益介质腔3腔内尺寸为100mm×100mm×30mm，壁厚10mm，材质为石英，腔3的内外壁和增益介质单元1的表面抛光达到光学镜面光洁度。腔体3内的折射率匹配冷却液2在循环泵4的推动下导出腔体3并实现循环流动。循环流动的折射率匹配冷却液2在注入增益介质腔3之前经过热交换器5，该热交换器5为金属热沉。热交换器5通过从温度可调恒温槽6中引入的恒温液体7实施对注入腔体3的折射率匹配冷却液2的温度调制。
实施激光器工作条件下的折射率匹配时，首先将上述配置好的折射率匹配冷却液2注满腔体3和循环泵4所在的循环管路，然后开启循环泵4使得流量达到Fl=3L/s，然后开启激光器的泵浦源8。当从腔体3中流出的折射率匹配冷却液2的温度不再变化时，缓缓微调恒温槽6的温度，观察激光器的输出功率的变化，直至激光器的输出功率达到极大值，此时实现了最佳的折射率匹配。
实施例2：图2为本发明实施例2的原理示意图
首先，实施折射率预调制。本实施例中的固体激光介质单元10材料为掺钕磷酸盐玻璃，常温20℃下折射率ns=1.5386，选取二溴乙烷和四溴乙烷的混合溶剂来配置折射率匹配冷却液2，两者室温20℃下的折射率分别为1.5342，1.6317，室温下调配两者混合比例直至混合溶剂折射率与固体激光介质1相同，测得此时混合溶剂密度2.19g/cm3，温度折射率系数-7×10-4/℃，比热容0.72kJ/(kg.K)。本实施例中泵浦光9的热功率4KW，折射率匹配冷却液2的流量为0.5L/s。带入式（1），得到n0＝1.5403，依此调整二溴乙烷与四溴乙烷的比例直至混合溶剂（折射率匹配冷却液2）的折射率为1.5403。
然后，构建如图2所示硬件。将一组4×5根圆柱体状固体激光增益介质单元10安装在增益介质腔3中,固体激光增益介质单元1直径4mm，长25mm，增益介质腔3腔内尺寸为25mm×25mm×30mm，壁厚3mm，材质为石英，腔3的内外壁和增益介质单元1的表面抛光达到光学镜面光洁度。腔体3内的折射率匹配冷却液2在循环泵4的推动下导出腔体3并实现循环流动。循环流动的折射率匹配冷却液2在注入增益介质腔3之前经过热交换器5.热交换器5通过从温度可调恒温槽6中引入的恒温液体7实施对注入腔体3的折射率匹配冷却液2的温度调制。
实施激光器工作条件下的折射率匹配时，首先将上述配置好的折射率匹配冷却液2注满腔体3和循环泵4所在的循环管路，然后开启循环泵4使得流量达到Fl=0.5L/s，然后开启激光器的泵浦源8。当从腔体3中流出的折射率匹配冷却液2的温度不再变化时，缓缓微调恒温槽6的温度，观察激光器的输出功率的变化，直至激光器的输出功率达到极大值，此时实现了最佳的折射率匹配。

Claims (3)

1.一种激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置,特征在于其构成包括：增益介质腔（3）、增益介质（1）、折射率匹配冷却液（2）、热交换器（5）、循环泵（4）、可调恒温槽（6）、恒温液体（7）和泵浦源（8），所述的增益介质（1）置于所述的增益介质腔（3）中，该增益介质腔（3）具有折射率匹配冷却液（2）的输入口和输出口，所述的热交换器（5）内的恒温液体（7）经所述的可调恒温槽（6）循环，所述的增益介质腔（3）的输出口经管路依次经所述的循环泵（4）、热交换器（5）内的热交换管路、管路和所述的增益介质腔（3）的输入口构成一封闭的环路，所述的折射率匹配冷却液（2）置于并充满所述的增益介质腔（3）和所述的环路，所述的折射率匹配冷却液（2）在所述的循环泵（4）的驱动下在所述的增益介质腔（3）和热交换器（5）内循环运动。
2.根据权利要求1所述的激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置,其特征在于所述的增益介质（1）为片状激光介质、球状激光介质或其他不规则激光介质。
3.用于权利要求1所述的激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置的折射率匹配冷却液的匹配方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①选取折射率分别高于和低于所述的激光增益介质（1）的折射率的溶剂混合来配置折射率匹配冷却液，设激光器采用的固体激光增益介质折射率为ns,，两种溶剂常温下的折射率分别为n1(n1＜ns)，n2(n2＞ns)，要求所选溶剂彼此互溶并不与所接触到的其他材料发生反应，低毒性，低腐蚀性，对泵浦光和输出信号光的吸收系数小于0.01cm-1；
②根据所述的增益介质腔（3）和折射率匹配冷却液管路确定折射率匹配冷却液的总量，调整选定的两种溶剂比例直至混合溶剂的折射率为ns，测量混合溶剂的比热容Cl，混合溶剂的温度折射率系数K，混合溶剂的密度ρl，再调整两种溶剂的比例直至混合溶剂即折射率匹配冷却液的折射率为：
n0=ns-KWp/2ClρlFl，
其中，Fl为折射率匹配冷却液的流量，Wp为泵浦光的热功率；
③将所述的折射率匹配冷却液置于所述的激光增益介质腔（3）中，开启循环泵（4）使折射率匹配冷却液所在循环系统流量达到Fl，再开启激光泵浦源，待从激光增益介质腔（3）流出的折射率匹配冷却液的温度不再变化后，通过所述的可调恒温槽6缓慢微调注入增益介质腔（3）的折射率匹配冷却液（2）的温度，观察激光器输出功率/能量的变化，若升温导致激光器输出功率/能量降低，则缓慢降温直至激光器输出功率/能量不再升高，反之则继续缓慢升温，直至输出激光功率/能量达到最大，此时实现了激光器工作条件下最佳折射率匹配。
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