CN104078824B - 一种全腔水冷固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全腔水冷固体激光器，包括反射体、固体激光介质、泵浦源、平面全反镜和平面输出镜，所述反射体两端设有端盖、侧壁设有进水口和出水口，所述端盖中心设有嵌入式镜座和窗口镜片，所述反射体和端盖构成聚光腔，其内部充满冷却水，所述固体激光介质通过支架固定于聚光腔内的中心位置，并完全浸没在腔内的冷却水中，所述窗口镜片贴近固体激光介质的两个端面放置，所述平面全反镜和平面输出镜构成激光谐振腔。本发明通过简单、高效的全腔水冷方式，将固体激光介质工作中产生的热量及时导走，降低了介质内部的热梯度，减小了热效应产生的影响，进而提高了固体激光器的效率。

Description

一种全腔水冷固体激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，具体涉及一种全腔水冷固体激光器。

背景技术

固体激光器是目前最具发展潜力的，用于获得高功率、高光束质量激光输出的有效手段之一。高功率固体激光器在工业加工、材料处理、航空航天、军事等领域具有十分重要的应用价值。然而，在极高的泵浦水平下，固体激光介质内的热效应比较严重，在很大程度上限制了此类激光器输出功率的进一步提高。为提高泵浦均匀性、减小固体激光介质内的热梯度，研究人员提出了包括环绕泵浦的圆棒激光器、板条激光器、热熔激光器等多种结构和泵浦方式在内的固体激光器。例如，中国专利公开号CN102064469A公开了一种二极管泵浦板条固体激光器；中国专利申请公布号CN103178435A公布了一种高功率高重频脉冲激光器。但是，上述方案中固体激光介质的冷却方式，都局限在对介质侧面通过直接通水方式冷却或水冷热沉传导冷却，而介质的激光发射端面则是直接暴露在空气中，均未采取有效的制冷措施。因此，固体激光介质内的热梯度，特别是长度方向的热梯度很难得到有效降低，进而限制了激光器的输出功率水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中激光介质内热梯度较大、散热效果不好的不足，提供一种结构简单、合理，能够快速传导激光介质内部产生的热量，散热效果好，有效地降低激光介质内的热梯度，便于实现高功率、高光束质量输出的全腔水冷固体激光器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种全腔水冷固体激光器，包括反射体、固体激光介质、泵浦源、平面全反镜和平面输出镜，所述筒形的反射体两端密封连接有端盖，反射体和端盖构成聚光腔，所述平面全反镜和平面输出镜构成激光谐振腔，其特征在于：所述聚光腔内部充满冷却水，所述固体激光介质通过支架固定于聚光腔内的中心位置，并完全浸没在聚光腔内的冷却水中；所述端盖中心设有嵌入式镜座和窗口镜片，所述窗口镜片贴近固体激光介质的两个端面放置。

进一步地，所述反射体的结构为空心圆柱体，材料为聚四氟乙烯或导热良好、内表面镀金的金属材料。

进一步地，所述反射体侧壁设有进水口和出水口，所述进水口设置在反射体的侧壁下方，出水口设置在反射体的侧壁上方。

进一步地，所述窗口镜片为K9平面镜，接触冷却水的一面未镀膜仅抛光处理。

进一步地，所述固体激光介质的结构为圆棒，或为矩形、平行四边形、辐射状的板条。

进一步地，所述支架由耐高温、耐腐蚀材料制作而成，支架中心设有固定固体激光介质的圆孔，边缘设有冷却水流通的 “U”形槽。

进一步地，所述窗口镜片与固体激光介质端面间的距离为1-2mm。

进一步地，所述反射体和端盖之间设有“O”型橡胶圈，并通过螺钉压紧固定。

本发明的优点在于：第一，本发明所述固体激光介质，完全浸没在所述聚光腔内的冷却水中，介质所有的端面和侧面都成为冷却面，可将其内部产生的热量快速、有效地传递到周围的冷却水中并及时导走，极大地降低了热效应产生的影响，有利于实现高功率、高光束质量激光输出。第二，本发明采用环绕、对称的泵浦方式，结合具有较高反射率的聚光腔，提高了泵浦光的利用率及泵浦光在固体激光介质内分布的均匀性，有利于降低介质内的热梯度。第三，由于本发明所述窗口镜片的折射率与水的折射率相差较小（小于0.3），故其接触界面的光透过率极高，无需镀增透膜，有利于节约成本和简化结构。

本发明激光介质完全浸没在所述聚光腔内的冷却水中，介质所有的端面和侧面都成为冷却面，能够将激光介质内部产生的热量快速、有效地传递到周围的冷却水中并及时导走。对照现有技术，本发明结构简单、合理，能够快速、有效地传导激光介质内部产生的热量，降低激光介质内的热梯度，极大地降低了热效应产生的不利影响，有利于实现高功率、高光束质量。是一种理想的全腔水冷固体激光器。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步说明。

图1是本发明实施例1的结构主视剖面图。

图2是本发明实施例2的结构主视剖面图。

图3是本发明实施例3的结构主视剖面图。

图4是本发明中支架的结构示意图。

图中标号：1.平面全反镜；2.平面输出镜；3.固体激光介质；4.泵浦源；5.反射体；6.窗口镜片；7.嵌入式镜座；8.端盖；9.“O”型橡胶圈；10.进水口；11.出水口；12.支架；13.冷却水；14.柱面透镜；15.圆孔；16.“U”型槽。

具体实施方式

从图1、图2、图3中可以看出，一种全腔水冷固体激光器，包括反射体5、固体激光介质3、泵浦源4、平面全反镜1和平面输出镜2，所述筒形的反射体5两端密封连接有端盖8，反射体5和端盖8构成聚光腔，聚光腔的主要作用是，将吸收剩余的泵浦光多次反射回固体激光介质3的内部，以提高泵浦光的利用率。所述平面全反镜1和平面输出镜2构成激光谐振腔，所述聚光腔内部充满冷却水13，所述固体激光介质3通过支架12固定于聚光腔内的中心位置，并完全浸没在聚光腔内的冷却水13中；所述端盖中心设有嵌入式镜座7，嵌入式镜座上安装有窗口镜片6，所述窗口镜片6贴近固体激光介质3的两个端面放置。

进一步地，所述反射体5的结构为空心圆柱体，材料为聚四氟乙烯或导热良好、内表面镀金的金属材料。

进一步地，所述反射体5侧壁设有进水口10和出水口11，所述进水口10设置在反射体的下方，出水口11设置在反射体的上方。由此既可方便注水，还可防止冷却水循环过程中气泡的产生。

进一步地，所述窗口镜片为K9平面镜。由于其折射率与水的折射率相差较小，故接触冷却水的一面未镀膜仅抛光处理。

进一步地，所述固体激光介质的结构为圆棒，或为矩形、平行四边形、辐射状的板条。

进一步地，所述支架12由耐高温、耐腐蚀材料制作而成，支架中心设有固定固体激光介质的圆孔15，边缘设有冷却水流通的 “U”形槽16。如图4所示。

进一步地，所述窗口镜片与固体激光介质端面间的距离为1-2mm。如此一来窗口镜片与固体激光介质端面间的水层厚度控制在1-2mm范围内，以最大限度地减小水对振荡激光的吸收损耗。

进一步地，所述反射体和端盖之间设有“O”型橡胶圈9，并通过螺钉压紧固定。

实施例1：参照图1，一种全腔水冷固体激光器，包括反射体5、固体激光介质3、泵浦源4、平面全反镜1和平面输出镜2。其中，反射体5两端设有端盖8、侧壁设有进水口10和出水口11；端盖8中心设有嵌入式镜座7和窗口镜片6-1和6-2；固体激光介质3通过两个支架12固定于聚光腔内的中心位置。

反射体5是利用聚四氟乙烯或导热良好、内表面镀金的金属材料制作而成的空心圆柱体，它通过端盖8和“O”型橡胶圈9进行密封，从而构成一个密闭的聚光腔，其内部充满冷却水13。

窗口镜片6为K9玻璃加工而成的平面镜，其端面S1-1和S1-2均镀有增透膜，另一面仅做抛光处理，原因在于该表面直接与水接触且K9玻璃和水的折射率差较小，抛光面在水中的剩余反射率不大于0.5%，故无需镀增透膜。

固体激光介质3是掺Nd³⁺或其它稀土离子的晶体、玻璃或透明陶瓷，其结构可以是圆棒，也可以是矩形、平行四边形或辐射状板条。固体激光介质3的端面镀有对振荡激光的增透膜，侧面镀有对泵浦光的增透膜。

为尽量减小水对振荡激光的吸收损耗，窗口镜片6通过嵌入式镜座7贴近固体激光介质3的端面放置，两者之间的水层厚度控制在2mm以内。

泵浦源4为脉冲氙灯，其作用是泵浦固体激光介质3。氙灯的弧长应等于或稍大于固体激光介质3的长度，且灯体部分完全浸没在冷却水13中，以充分散热。

支架12是用耐高温、耐腐蚀材料加工而成的圆盘，其中心设有圆孔15以固定固体激光介质3，边缘设有“U”型槽16。所述“U”型槽16既是冷却水13的流通槽，也是脉冲氙灯的贯穿槽。

平面全反镜1和平面输出镜2均为K9玻璃镜片。平面全反镜1的右端面S2镀有对振荡激光的高反膜；平面输出镜2的左端面S3镀有对振荡激光的部分反射膜，另一面镀有增透膜。平面全反镜1和平面输出镜2构成了全腔水冷固体激光器的谐振腔。

本实施例所述全腔水冷固体激光器的工作过程如下：

首先，通过水泵向聚光腔内注满冷却水13，并保持循环状态。刚注满水的聚光腔内会有一些小气泡附着于固体激光介质3的表面，影响激光输出。所以，冷却水13必须循环一定时间（2个小时以上）,待小气泡自然消失后，激光器才能正常工作。其次，利用He-Ne激光对光路进行准直，确保固体激光介质3的端面、窗口镜片6、平面全反镜1和平面输出镜2，在水平和竖直二维方向上严格平行。平面全反镜1和平面输出镜2的方位角可通过调整架进行调节；窗口镜片6的方位角可通过改变嵌入式镜座7附近“O”型橡胶圈9的压紧程度进行调节。最后，利用同步触发的电源驱动泵浦源4，以实现对固体激光介质3的同步泵浦。泵浦源4发射的泵浦光入射到固体激光介质3中并被激活离子吸收，吸收剩余的泵浦光则被反射体5内壁再次反射回固体激光介质3中，如此反复可实现多次泵浦。上述同步泵浦和多次泵浦的工作方式有利于提高泵浦光的利用率及泵浦的均匀性。

实施例2：参照图2，与实施例1的不同之处在于：泵浦源4为微通道水冷的半导体激光器列阵，且被设置在聚光腔的外部；反射体5的侧壁设有长方形的泵浦光通光孔，通光孔处设有柱面透镜14，以确保泵浦光完全入射到固体激光介质3的内部，并提高泵浦功率密度；柱面透镜14镀有对泵浦光的增透膜，并通过胶粘方式固定和密封；通光孔和柱面透镜14的长度应等于或略大于固体激光介质3的长度。

实施例3：参照图3，与实施例2的不同之处在于：S2端面的高反膜被镀制在窗口镜片6-1的S1-1端面上；S3端面的部分反射膜被镀制在窗口镜片6-2的S1-2端面上。因此，窗口镜片6-1和6-2分别起到了平面全反镜1和平面输出镜2的作用，构成本实施例所述激光器的谐振腔，进而使整个系统变得更加简单、紧凑。

综上所述，本发明解决了现有技术中，固体激光介质的激光发射端面无法进行有效冷却、介质内部热梯度大的弊端，具有散热效果好、结构简单、紧凑的优点，有利于获得高功率、高光束质量激光输出。本发明的优点在于：第一，本发明所述固体激光介质，完全浸没在所述聚光腔内的冷却水中，介质所有的端面和侧面都成为冷却面，可将其内部产生的热量快速、有效地传递到周围的冷却水中并及时导走，极大地降低了热效应产生的影响，有利于实现高功率、高光束质量激光输出。第二，本发明采用环绕、对称的泵浦方式，结合具有较高反射率的聚光腔，提高了泵浦光的利用率及泵浦光在固体激光介质内分布的均匀性，有利于降低介质内的热梯度。第三，由于本发明所述窗口镜片的折射率与水的折射率相差较小（小于0.3），故其接触界面的光透过率极高，无需镀增透膜，有利于节约成本和简化结构。

需要指出的是，上述实施例仅用于详细描述本发明的技术方案而非限制。本领域一般技术人员须理解，对本发明技术方案进行的修改或等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，故均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全腔水冷固体激光器，包括反射体、固体激光介质、泵浦源、平面全反镜和平面输出镜，所述反射体为筒形，其两端密封连接有端盖，反射体和端盖构成聚光腔，所述平面全反镜和平面输出镜构成激光谐振腔，其特征在于：所述聚光腔内部充满冷却水，所述固体激光介质通过支架固定于聚光腔内的中心位置，并完全浸没在聚光腔内的冷却水中；所述端盖中心设有嵌入式镜座和窗口镜片，所述窗口镜片贴近固体激光介质的两个端面放置；所述窗口镜片为K9平面镜，接触冷却水的一面未镀膜仅抛光处理；所述支架由耐高温、耐腐蚀材料制作而成，支架中心设有固定固体激光介质的圆孔，边缘设有冷却水流通的“U”形槽。

2.根据权利要求1所述的全腔水冷固体激光器，其特征在于：所述反射体的结构为空心圆柱体，材料为聚四氟乙烯或内表面镀金的金属材料。

3.根据权利要求1所述的全腔水冷固体激光器，其特征在于：所述反射体侧壁设有进水口和出水口，所述进水口设置在反射体的侧壁下方，出水口设置在反射体的侧壁上方。

4.根据权利要求1所述的全腔水冷固体激光器，其特征在于：所述固体激光介质的结构为圆棒，或为平行四边形、辐射状的板条。

5.根据权利要求1所述的全腔水冷固体激光器，其特征在于：所述窗口镜片与固体激光介质端面间的距离为1-2mm。

6.根据权利要求1所述的全腔水冷固体激光器，其特征在于：所述反射体和端盖之间设有“O”型橡胶圈，并通过螺钉压紧固定。