CN104485570A - 高功率板条激光放大器 - Google Patents

Abstract

一种高功率板条激光放大器，由晶体板条、多个激光二极管阵列叠层以下简称为LDA、左热沉、右热沉、上热沉、下热沉、LDA电极连接片、LDA正电极片、LDA负电极片、水冷板、进水接头、出水接头、过渡水接头、水管和密封圈组成。本发明放大器泵浦利用效率高，晶体热畸变和热透镜效应小，可实现高功率和高光束质量的激光输出，同时具有结构紧凑、性能稳定可靠等优点。

Description

高功率板条激光放大器

技术领域

本发明涉及板条激光器领域，特别是一种高功率板条激光放大器。

背景技术

高平均功率、高光束质量的激光输出是目前国际上衡量高功率全固态激光器研制水平的重要指标之一。制约该项指标快速进展的一个至关重要的因素就是激光器在工作过程中会产生大量的废热，主要集中在泵浦激光二极管及激光晶体上。激光晶体内部严重的废热将导致晶体热聚焦、热致双折射及退偏振等热效应，进而使输出功率降低和光束质量下降。

目前，沿Z字形光路传输的板条激光器因其具有在厚度方向能够消除一阶热聚焦的特点，成为高功率全固态激光器研究的热点，该类激光器可以有效地减小激光束的热透镜效应和热畸变效应，能够获得高平均功率和较好光束质量的输出。但在高功率运转时，这种激光器内部仍然存在一定的热透镜效应，导致板条宽度方向的光束质量较差。因此合理的板条激光器结构设计成为减小板条晶体温度梯度、提高泵浦利用效率，进而实现高功率和高光束质量激光输出的核心技术。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种高功率板条激光放大器，该放大器泵浦利用效率高，晶体热畸变和热透镜效应小，可实现高功率和高光束质量的激光输出，同时具有结构紧凑、性能稳定可靠等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种高功率板条激光放大器，特点在于由晶体板条、多个激光二极管阵列叠层以下简称为LDA、左热沉、右热沉、上热沉、下热沉、LDA电极连接片、LDA正电极片、LDA负电极片、水冷板、进水接头、出水接头、过渡水接头、水管和密封圈组成；所述的晶体板条具有矩形截面，晶体板条的下表面与所述的下热沉的冷却面通过焊料焊接在一起；

所述的多个LDA通过螺钉分别安装在所述的左热沉和右热沉上，所述的多个LDA的电极通过LDA电极连接片依次串连在一起，仅留下两端的电极连接LDA正电极片和LDA负电极片供与电源连接；

所述的左热沉、下热沉和右热沉置于所述的水冷板的上表面，所述的左热沉与下热沉底面对齐后相贴合，所述的左热沉侧面下方的多个固定通孔与下热沉左侧面的多个固定螺孔一一对应后，所述的右热沉的多个侧面下方固定通孔与下热沉的多个右侧面固定螺孔一一对应后，通过拧入螺钉使右热沉、左热沉与所述的下热沉连接在一起；所述的上热沉的两个侧面分别与左热沉和右热沉的内表面相贴合，上热沉的冷却面与所述的晶体板条的上表面紧密贴合，所述的左热沉和右热沉侧面上方的多个固定通孔分别与所述的上热沉两侧面的多个固定螺孔一一对应，通过拧入螺钉使所述的上热沉、左热沉和右热沉连接在一起，四个热沉形成一个热沉整体；该热沉整体内的各热沉均具有内部水道，各内部水道通过水冷板、水管、过渡水接头和密封圈连通形成具有进水接头和出水接头相互贯通的水道。

所述的晶体板条的输入端面和输出端面为垂直面或成布儒斯特角，材料为激光晶体，两侧的泵浦面镀有对泵浦光波长增透的增透膜，上下两个冷却面为毛面。

所述的多个LDA分别布设在所述的晶体板条两侧面的全反射点处，从晶体板条两侧面进行泵浦。

所述的左热沉、右热沉、上热沉和下热沉均采用高热导率的紫铜材料制成，所述的上热沉的冷却面与所述的晶体板条之间填充铟皮层。

所述的水冷板采用高热导率的铜质材料制成。

所述的密封圈的材料为橡胶。

本发明具有下列技术效果：

1、能量提取效率高。本发明的晶体板条采用双侧面对称泵浦、双侧面对称冷却的组合方式，每侧多个LDA沿晶体板条长度方向排布，在光路的每个全反射点布置LDA，能有效提高放大器的能量提取效率，保证了高功率激光输出。

2、散热效率高、热效应小。板条放大器在高功率运转时产生的废热主要集中在泵浦LDA和晶体板条上，LDA和晶体板条均采用传导冷却复合通水对称冷却方式实现对LDA和晶体板条的有效散热，能大大提高LDA和晶体的散热能力。加工过程中，LDA与左右热沉接触界面。晶体板条的上下表面与其热沉的接触界面以及LDA热沉与晶体热沉间的接触界面均达到精密加工，能够有效地减少界面接触热阻。特别指出的是本发明的晶体板条沿竖直方向与其上下两热沉在接触界面处的温度梯度很小，从而保证了晶体的热量能够快速经过接触界面传导到冷却水换热界面以完成晶体的冷却，可较大程度上减小晶体的热畸变和热透镜效应；此外，Z字形光路设计能有效消除板条的厚度方向的一阶热聚焦，可进一步减小热效应，为获得高质量激光输出提供保障。

3、晶体板条内部的装配应力小，泵浦具有较好的均匀性。左右热沉与上下晶体热沉之间良好的紧密装配，各热沉具有较高的尺寸和形状位置精度，从而可减小装配过程中对晶体产生的机械应力，使两侧LDA相对晶体位置严格对称，保证泵浦均匀性。

4、结构紧凑、性能稳定可靠。板条放大器各组成器件通过螺钉装配成一整体，结构紧凑，该模块化结构保证了板条放大器运行的长期稳定性。

附图说明

图1是本发明高功率板条激光放大器实施例的结构示意图。

图2是图1的局部剖视图。

图3是图1的内部水路流向示意图。

图4是图1的晶体板条内Z字形光路和LDA排布示意图。

图5是是图1LDA电极连接示意图。

图6是图1的左热沉结构示意图。

图7是图1的右热沉结构示意图。

图8是图1的上热沉结构示意图。

图9是图1的下热沉结构示意图。

图10是图1的水冷板结构示意图。

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。

请参阅图1～图10，由图可见，本发明高功率板条激光放大器由晶体板条1、激光二极管阵列叠层(简称为LDA)2、左热沉3、右热沉4、上热沉5、下热沉6、LDA电极连接片7、LDA正电极片8、LDA负电极片9、水冷板10、进水接头11、出水接头12、过渡水接头13、水管14、密封圈15组成；

一个具有矩形截面的所述的晶体板条1的下表面与所述的下热沉6的冷却面通过焊料焊接在一起；所述的多个LDA2通过螺钉安装在所述的左热沉3上，将所述的LDA电极连接片7、LDA正电极片8和LDA负电极片9与所述的各LDA2的电极进行连接；将所述的左热沉3与下热沉6的底面对齐后相贴合，将所述的左热沉3的多个侧面的下方固定通孔31与下热沉6的多个左侧面固定螺孔61一一对应后，通过拧入螺钉使两热沉连接在一起；将所述的多个LDA2通过螺钉安装在所述的右热沉4上；将所述的右热沉4与下热沉6的底面对齐后相贴合，将所述的右热沉4的多个侧面下方固定通孔41与下热沉6的多个右侧面固定螺孔62一一对应后，通过拧入螺钉使两热沉连接在一起；将所述的上热沉5装入，使上热沉5的两个侧面分别与左热沉3和右热沉4的内表面相贴合，同时使上热沉5的冷却面与晶体板条1的上表面紧密贴合，通过将所述的左热沉3和右热沉4侧面上方的多个固定通孔32和42分别与所述的上热沉5两侧面的多个固定螺孔53一一对应，通过拧入螺钉使上热沉5与下热沉6、右热沉4彼此连接在一起，这样四个热沉形成热沉整体；各热沉均具有内部水道和与水道相贯通的且位于热沉底面两侧的进水孔和出水孔，其中左热沉3、下热沉6、右热沉4的进水孔33、63和43的周围和出水孔34、64和44的周围分别具有4个底面固定螺孔35、36、65、66、45和46；所述的水冷板10内部具有水路，水路设计可实现所述的左热沉3、下热沉6和右热沉4之间的水路连通；所述的水冷板10的一个侧面有进水孔101，另一个侧面有出水孔102，顶面自左向右具有第一列上方通水孔103、第一列下方通水孔104、第二列上方通水孔105、第二列下方通水孔106、第三列上方通水孔107和第三列下方通水孔108，同时具有与各通水孔同心且内径大于通水孔直径的6个圆环密封槽109，以及在顶面各密封槽的周围均具有4个固定通孔；将密封圈15放入所述的水冷板10的各密封槽109内，将水冷板10的顶面与所述的热沉整体的底面相贴合，使水冷板10的顶面的所述的第一列上方通水孔105和第一列下方通水孔106分别与左热沉3的出水孔34和进水孔33相对应，将第一列密封槽周围的8个固定通孔1010与所述的左热沉3的8个底面固定螺孔34和35一一对应；同时使所述的第二列上方通水孔105和第二列下方通水孔106分别与下热沉6的进水孔63和出水孔64相对应，且将第二列密封槽周围的8个固定通孔1011与所述的下热沉6的8个底面固定螺孔65和66一一对应；使所述的第三列上方通水孔107和第三列下方通水孔108分别与右热沉4的进水孔和出水孔相对应，将第三列密封槽周围的8个固定通孔1012与所述的右热沉4的8个底面固定螺孔45和46一一对应；通过拧入螺钉将所述的密封圈15压紧，使水冷板10与三个热沉连接在一起，实现水路密封；最终冷却水自水冷板10的进水孔101流入，经过其内部的水道后进入所述的左热沉3内部，流出后再进入所述的下热沉6内部；然后再流入的右热沉4内部，接下来进入上热沉5的内部，最终由其出水孔52流出，从而完成对所述的LDA2和晶体板条1的冷却。采用所述的水管14和过渡水接头13将所述的水冷板10的出水孔102和所述的上热沉5的进水孔51连接起来，以使水路连通。所述的出水接头12安装于上热沉5的出水孔52内。

所述的晶体板条1的材料选为Nd:YAG，其两端切割成布儒斯特角以抑制寄生振荡，两泵浦面镀有对泵浦光波长进行增透的增透膜，两冷却面为毛面。

所述的LDA2与所述的晶体板条1的两泵浦面保持一定距离。激光沿水平方向从晶体板条1端面入射，在板条内部发生全反射后沿Z字形光路传输，功率得到放大后从板条另一端面出射。光路排布时，多个LDA2布置在所述的晶体板条1两面的全反射点处，从反射面的两个相对方向进行光泵浦。

请参阅图5，所述的LDA电极连接片7用于连接两相邻LDA2的正负电极，该板条放大器的LDA2采用电学串联方式连接，最终整个放大器只有一个LDA正电极片8和一个LDA负电极片9引出结构外部，以便于供电。上述电极片采用紫铜材料制成，并进行防氧化处理。

所述的左热沉3和右热沉4均采用高热导率的紫铜材料，两者对称地位于放大器两侧；所述的上热沉5和下热沉6的材料均为具有高热导率的紫铜材料，其表面进行严格的防氧化处理，两者宽度相同。晶体板条1与上热沉5的冷却面之间填充铟皮层，最大限度地减少界面热阻；晶体板条1与下热沉6通过铟料焊接在一起，既可提高力学抗振性能，又可减小界面接触热阻。

所述的左热沉3和右热沉4与LDA2的接触界面、所述的左热沉3和右热沉4与上热沉5和下热沉6的接触界面，以及上热沉5和下热沉6与晶体板条1的上下表面接触界面均经过精密加工，达到紧密装配的效果，这样能够有效地减少接触热阻，保证热量可以及时快速地传导到水流换热界面。

所述的左热沉3和右热沉4的形状选为凸台结构，相对于平板结构而言，可减小固定LDA2的安装面、与上热沉5和下热沉6的接触面的面积，从而降低各面的机械加工难度，保证获得较高的加工精度。

所述的LDA热沉与晶体热沉设计成良好的紧密装配，各热沉具有较高的尺寸和形状位置精度，从而可减小装配过程中对晶体产生的机械应力，使两侧LDA2相对晶体板条1位置严格对称，保证泵浦均匀性。

所述的水冷板10采用高热导率的铜质材料制成。水冷板设计保证了左热沉3、下热沉6和右热沉4之间水路的串接。所述的进水孔101自其所在的侧面向内贯穿到第一列下方通水孔104处；在所述的进水孔101同侧有第一圆柱孔1013使第一列上方通水孔103和第二列上方通水孔105贯通；所述的出水孔102自其所在的侧面向内贯穿到第三列上方通水孔107处；在所述的出水孔102同侧有第二圆柱孔1014；所述的第二圆柱孔1014使第三列下方通水孔108和第二列下方通水孔106贯通。所述的进水接头11安装于水冷板10的进水孔101内。所述的过渡水接头13安装于水冷板的出水孔102内。

所述的密封圈11的材料为橡胶。

另外，冷却水也可自水冷板10的出水孔102进入，水流经路径与前面所述的路径正好相反，最终由晶体上热沉5的进水孔51流出。两种冷却情况下放大器的工作性能完全相同。

实验表明，当入射光束功率为1W时，经一个本发明高功率板条激光放大器放大后可获得平均功率约6W(即放大倍数约6倍)、光束质量因子M2为1.5的光束输出。若需要更高功率的激光输出，可同时使用多个放大器工作。

Claims (6)

1.一种高功率板条激光放大器，特征在于由晶体板条、多个激光二极管阵列叠层以下简称为LDA、左热沉、右热沉、上热沉、下热沉、LDA电极连接片、LDA正电极片、LDA负电极片、水冷板、进水接头、出水接头、过渡水接头、水管和密封圈组成；所述的晶体板条具有矩形截面，晶体板条的下表面与所述的下热沉的冷却面通过焊料焊接在一起；

所述的多个LDA通过螺钉分别安装在所述的左热沉和右热沉上，所述的多个LDA的电极通过LDA电极连接片依次串连在一起，仅留下两端的电极连接LDA正电极片和LDA负电极片供与电源连接；

所述的左热沉、下热沉和右热沉置于所述的水冷板的上表面，所述的左热沉与下热沉底面对齐后相贴合，所述的左热沉侧面下方的多个固定通孔与下热沉左侧面的多个固定螺孔一一对应后，所述的右热沉的多个侧面下方固定通孔与下热沉的多个右侧面固定螺孔一一对应后，通过拧入螺钉使右热沉、左热沉与所述的下热沉连接在一起；所述的上热沉的两个侧面分别与左热沉和右热沉的内表面相贴合，上热沉的冷却面与所述的晶体板条的上表面紧密贴合，所述的左热沉和右热沉侧面上方的多个固定通孔分别与所述的上热沉两侧面的多个固定螺孔一一对应，通过拧入螺钉使所述的上热沉、左热沉和右热沉连接在一起，四个热沉形成一个热沉整体；该热沉整体内的各热沉均具有内部水道，各内部水道通过水冷板、水管、过渡水接头和密封圈连通形成具有进水接头和出水接头相互贯通的水道。

2.根据权利要求1所述的高功率板条激光放大器，其特征在于所述的晶体板条的输入端面和输出端面为垂直面或成布儒斯特角，材料为激光晶体，两侧的泵浦面镀有对泵浦光波长增透的增透膜，上下两个冷却面为毛面。

3.根据权利要求1所述的高功率板条激光放大器，其特征在于所述的多个LDA分别布设在所述的晶体板条两侧面的全反射点处，从晶体板条两侧面进行泵浦。

4.根据权利要求1所述的高功率板条激光放大器，其特征在于所述的左热沉、右热沉、上热沉和下热沉均采用高热导率的紫铜材料制成，所述的上热沉的冷却面与所述的晶体板条之间填充铟皮层。

5.根据权利要求1所述的高功率板条激光放大器，其特征在于所述的水冷板采用高热导率的铜质材料制成。

6.根据权利要求1所述的高功率板条激光放大器，其特征在于所述的密封圈的材料为橡胶。