CN105024266A - 无tec恒温小型风冷重频dpl激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种无TEC恒温小型风冷重频DPL激光器，旨在提供一种脉冲重复频率稳定，激光能量输出大，可靠性高，能在-40℃～+65℃高低温环境和一定冲击振动环境下可靠工作的DPL激光器。本发明通过下述技术方案予以实现：安装在同一钛合金金属框结构面上的输出镜和全反射镜，位于180°折叠谐振腔的同一面，同时在钛合金框体的另一端，采用三面相互垂直的四面体三棱镜作为180°光路折叠镜；二极管激光阵列泵浦源在低温至常温-40℃～+39℃区域，由位于风冷散热片下面的陶瓷加热片快速加热，当加热至正常工作温度范围时，温度传感器动作控制陶瓷加热片停止加热，当二极管激光阵列泵浦源温度高于+70℃时，由位于二极管激光阵列泵浦源热沉下方的高速冷却风机快速冷却。

Description

无TEC恒温小型风冷重频DPL激光器

技术领域

本发明涉及一种工作于高低温环境的无TEC恒温小型风冷重频DPL激光器

背景技术

随着全固态激光器向超高功率发展的技术进步，核心元器件的总功率大幅度增长而物理尺寸却要求小型化，热流密度也随之增加，要求对其进行更加有效的热控制；工作物质的热效应也限制了固体激光器向更高功率方向发展，对工作物质进行有效的热控制一直是关注的焦点。全固态激光器DPL(激光二极管泵浦固态激光器)由于具有转换效率高、光束质量好、工作寿命长、结构紧凑、稳定可靠等一系列传统灯泵浦固体激光器无法比拟的优点，近年来发展极为迅速，已成为固体激光器发展的主流。并广泛的应用于工业加工、彩色印刷、显示和医疗、通讯、军事等众多领域。就全固态激光系统而言，热管理的范围主要包括泵浦源、激光工作介质,驱动源、附属元件(如谐波发生器)等的热管理.激光工作介质的热管理问题主要表现在工作物质在泵浦过程的热效应问题：泵浦源向固体激光介质提供产生激光所需能量的同时，在介质中造成无用热。为了持续工作，必须及时从激光介质中消除这些无用热(热效应)，即减小“热效应”。这些热效应既限制了激光器的输出平均功率，同时产生畸变导致激光光束质量下降，使输出激光的能量降低。而对泵浦源的热管理问题则主要针对激光二极管阵列，它的应用极大地提高了固体激光系统的效率，然而，要将工作温度控制在相对窄的范围内，需要有比较完善的热控制系统，这一点与闪光灯泵浦激光器是不同的，在端面泵浦系统中，通过温度来调谐激光二极管的输出波长，使之与激光器峰值吸收谱线相匹配；并通过TE致冷器控制阵列的温度，维持得到的波长，这种方法对于小型激光器很有效，在大系统中，通常就会采用液冷回路来维持半导体激光器不受到环境温度的影响。不过制冷效率通常不会超过1，点输入功率相当于需要控制的热量，因此，产生大热量的系统中，输入的电功率就相当高，同时制冷效率很低，这是很大的一个问题，在技术上是一个极大的挑战。

一般的小型重频固体二极管泵浦DPL(Diode Pump Laser)固体脉冲激光器,采用半导体二极管激光器作为泵浦源。二极管激光阵列泵浦源波长随温度变化而变化，要求的工作温度范围宽，从-40℃～+65℃，在此温度范围内，二极管激光阵列泵浦源的波长变化很大。为了保证泵浦源的波长维持在Nd:YAG晶体的吸收峰808nm内,必须对二极管激光阵列泵浦源恒定温度。普通的二极管激光阵列泵浦源的有效工作温度范围很窄，恒定温度值一般仅是一个温度点。在这个温度点上，泵浦源才能稳定的发射808nm波长，否则会大大降低DPL激光器的效率，而不能使用。为避免上述缺陷，现有技术一般的小型DPL重频脉冲固体激光器都采用热电制冷TEC(ThermoElectric Cooler)温度控制器对二极管激光阵列泵浦源进行恒温。TEC温度控制器，也称半导体制冷片控制器，是一种能够依据通过TEC的电流走向来使物体制冷和制热的半导体装置。TEC温度控制器电子模块。虽然可以精确地调整物体的温度、稳定性可靠性高并且尺寸小,可用于激光系统的温度控制等。但TEC恒温带来若干不足之处在于，TEC制冷效率较低，不足40％，其余60％作为废热需要带走，这无疑增加了功耗和散热的负担；其次，TEC工作在制冷状态时，其热端产生的热量必须及时带走，否则会大大降低TEC的制冷效率；TEC热端的热量会瞬间传到制冷端，导致TEC控温失效，二极管激光阵列泵浦源温度漂移，DPL激光器会无激光输出；温度过高时，容易损毁DPL激光器，这在小型机载密封吊舱中尤为严重。如果加大TEC热端的散热体积，会增大整个激光器的体积重量，而不能满足技术指标。另外TEC控温另一个不足之处是，在低温-40℃时，要求DPL激光器能够快速启动发射激光，因其TEC此时升温效率较低，一般需要几分钟才能达到泵浦源的有效工作温度，从而才能发射激光，这就制约了该激光器的应用范围。位于固体激光器激光谐振腔两端的输出镜和全反射镜，通常安装在不同的金属结构面上，在高温及振动环境下，金属结构变形容易导致激光谐振腔的变形，导致它难于在-40℃～+65℃的高低温以及冲击、振动环境下可靠的工作。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在不足之处，提供一种脉冲重复频率稳定，激光能量输出大，可靠性高，体积小、重量轻，结构紧凑，能在-40℃～+65℃高低温环境和一定冲击、振动条件下可靠工作的无TEC恒温风冷小型重频Nd:YAG固体脉冲DPL激光器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种无TEC恒温小型风冷重频DPL激光器，包括二极管激光阵列泵浦源模块、安装在箱体盖板上，采用+40℃～+70℃宽温度范围的二极管激光阵列泵浦源15，安装于同一钛合金金属框体17结构面一端上的输出镜1、全反射镜2和与安装在钛合金框体17另一端的四面体三棱镜9一起组成的180°折叠谐振腔，其特征在于，安装在同一钛金属框17结构面上的输出镜1和全反射镜2位于180°折叠谐振腔的同一面，同时在钛合金框体17的另一端，采用一个三面相互垂直的四面体三棱镜9作为180°光路折叠镜；二极管激光阵列泵浦源15在低温至常温范围-40℃～+39℃下，由位于风冷散热片13下面的陶瓷加热片12快速加热，当加热至正常工作温度范围时，温度传感器16动作控制陶瓷加热片12停止加热，当二极管激光阵列泵浦源15温度高于+70℃时，由位于二极管激光阵列泵浦源热沉11下方的高速冷却风机14快速冷却。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明采用了+40℃～+70℃宽温度范围的二极管激光阵列泵浦源15，二极管激光阵列泵浦源15具有宽+40℃～+70℃的工作温度范围，且具有高的电光效率。

本发明用一个高效陶瓷加热片12替代TEC恒温器，从而解决了上述若干问题，使这样的小型风冷DPL固体脉冲激光器，能在-40℃～+65℃环境下，无TEC恒温，以20Hz～30Hz脉冲重复频率稳定可靠的工作，激光输出能量100-150mJ，激光束散小、光束质量高且激光器体积小，能适于多种机载或车载激光测距/指示仪。

本发明的这种激光器同时解决了体积要求小、输出能量要求大的问题，能够满足车载或机载激光测距机/指示仪对体积重量的要求。

本发明中激光谐振腔的输出镜1和全反射镜2位于其谐振腔的同一面，即安装在同一钛金属框17体结构面上，此时，若结构件有高低温或冲击振动导致的形变，则输出镜1、全反镜2两者同时同方向变化，不会影响谐振腔的光路变化，同时在钛合金框体17的另一端，采用一个三面相互垂直的四面体三棱镜9作为180°光路折叠镜，利用其入射光线始终与出射光线平行的原理，保证激光谐振腔的稳定可靠。本发明的这种结构使得该激光器能够在-40℃～+65℃的高低温以及冲击、振动环境下可靠的工作。

本发明由于采用了+40℃～+70℃宽温度范围的二极管激光阵列泵浦源15，用一个高效陶瓷加热片12替代TEC恒温器，使这样的小型风冷DPL固体脉冲激光器，驱动稳定性高、响应速度高、效率高,能在-40℃～+65℃环境下，无TEC恒温，以20Hz～30Hz脉冲重复频率稳定可靠的工作，激光输出能量100-150mJ，激光束散小、光束质量高且激光器体积小，从而解决了TEC恒温带来的若干问题。能适用于多种机载或车载激光测距/指示仪。

安装在钛合金框体17一个端面的三面相互垂直的四面体三棱镜9，其入射光线始终与出射光线始终保持平行，在激光器整体结构尺寸不变的条件下，能将谐振腔内的光路增大一倍，使激光器的束散更小，光束质量增加，且不受本身形变的影响，使激光器比使用普通转向镜的更加稳定可靠。安装于同一金属结构面上的全反射镜2与输出镜1组成的谐振腔，可抵消在高低温环境和冲击振动下由于金属结构面的变形而导致的激光谐振腔的变形，从而解决了将全反射镜与反射镜安装在不同金属结构面上的普通激光器，在高低温和冲击振动环境下脉冲激光输出不稳定的问题，以及在-40℃～+65℃的高低温环境振动条件下工作不可靠的问题。为激光器能有较大的激光能量输出和高的激光光学质量提供了条件。

本发明用钛合金制作的框体17，既提高了结构强度又减轻了激光器的重量。且K9玻璃制作的激光光学元件的热膨胀系数与钛合金框体的接近，且结构强度高，变形小，不与特种冷却液起化学反应，避免了一般激光器中两者的不同而导致的激光器在高低温环境下的综合变形。

本发明激光器谐振腔内采用一个三面相互垂直的四面体三棱镜9作为转轴棱镜，由于其入射光线始终与出射光线保持平行，光路不受本身形变的影响，它的使用使得该激光器比使用普通转向镜更加稳定可靠。全反射镜2与输出镜(部分反射镜)1安装于同一金属结构面上，这样的安装方式可抵消在高低温环境下由于金属结构面的变形而导致的激光谐振腔的变形，从而使该激光器比普通的1与2安装在不同的金属结构面上的激光器更加适用于高低温环境。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明无TEC恒温小型风冷重频DPL激光器激光谐振腔构造示意图。

图2是图1激光器的光路图。

图3是图1二极管激光阵列泵浦模块的构造示意图。

图4是图1二极管激光阵列泵浦源15安装的示意图。

图中：1输出镜、2全反射镜、3双光楔、4四分之一波片、5RTP调Q晶体、6偏振片、7晶体座、8激光工作介质YAG板条晶体、9四面体三棱镜、10x-y柱面镜、11二极管激光阵列泵浦源热沉、12陶瓷加热片、13风冷散热片、14高速冷却风机、15二极管激光阵列泵浦源、16温度传感器、17钛合金框体。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，无TEC恒温小型风冷重频DPL激光器采用了安装在箱体盖板上的+40℃～+70℃宽温度范围的二极管激光阵列泵浦源15，散热片13、高效陶瓷加热片12、小型高速冷却风机14和温度传感器16。还包括，安装在框体17中的激光工作介质8及其热传导散热晶体座7、陶瓷加热片12、散热片13、高速冷却风机14，激光谐振腔及其光学元件，所有的光学元件都置于一个长方体的钛合金框体结构件17中。激光工作介质8可以是板条状介质，也可以是圆柱状介质。其泵浦部分的特征在于，宽温度范围高效二极管激光阵列泵浦源15、陶瓷加热片12、散热片13、温度传感器16和高速冷却风机14构成的泵浦结构部件，能够在-40℃～+65℃环境下，无TEC恒温，以20Hz～30Hz脉冲重复频率稳定可靠的发射波长为808nm脉宽200us的泵浦光。安装在钛合金框体17中的激光谐振腔部分由输出镜1、全反镜2、双光楔3、1/4波片4、电光调Q晶体5、偏振片6、四面体三棱镜9和激光工作介质8、x-y方向柱面镜10等构成，其中全反镜2与输出镜1安装在钛合金箱体17的同一端，四面体三棱镜9安装在钛合金箱体17的另一端，三棱镜的特点是入射光线始终与出射光线保持平行，它与全反镜2和输出镜1构成稳定可靠的180^°折叠谐振腔；激光工作介质8安装在晶体座7上，与x-y方向柱面镜10、输出镜1处于折叠腔的一条边上，全反镜2、双光楔3、1/4波片4、电光调Q晶体5、偏振片6位于折叠腔的另一条边上，平行地排列安装在钛合金框体17内二极管激光阵列泵浦源15在低温至常温范围-40℃～+39℃下，由陶瓷加热片12快速加热。当二极管激光阵列泵浦源15加热至+40℃达到其正常工作温度范围时，温度传感器16启动使加热片12停止加热，使泵浦源15能够正常工作。而在+65℃环境下，加上由于泵浦源15工作自身也要发热，当其温度高于+70℃时，由高速冷却风机14快速冷却二极管激光阵列泵浦源15至+70℃以下，达到其正常工作温度范围，使其能够正常工作。

安装在钛合金框体17内的激光工作介质8、激光谐振腔及其他光学元器件，输出镜1、全反射镜2是现有技术已有的元件，安装于同一钛合金金属框体17结构面的一端上，并与安装在钛合金框体17另一端的四面体三棱镜9一起组成180°折叠谐振腔。电光开关5与普通激光器中的一样采用铌酸锂或RTP电光调Q晶体5、偏振片6与普通激光器中的一样。而一般固体激光器的激光谐振腔的输出镜和全反射镜位于其谐振腔的两端，即安装在不同的金属结构面上，其折叠光路所用的也是一般的屋脊直角棱镜。

在图2描述的DPL激光器谐振腔的光路中，输出镜1、全反射镜2安装在钛合金框体17的一个端面上，一个三面相互垂直的四面体三棱镜9安装在框体17的另一个端面上。x-y柱面镜10、激光工作介质YAG板条晶体8同光轴，位于输出镜1、四面体三棱镜9上内侧面之间，二极管激光阵列泵浦源15分布于所述激光工作介质YAG板条晶8上方。光路中x-y方向柱面镜10的使用，也可以是单独x或单独y方向的柱面镜的使用。全反镜2、双光楔3、1/4波片4、电光开关5、偏振片6同光轴顺次排列于四面体三棱镜9下内侧面，依次安装在钛合金框体17中，它们处于激光折叠腔的一条边上；激光工作介质8安装在晶体座7上，与x-y方向柱面镜10、输出镜1依次安装在钛合金框体17中，它们处于激光折叠腔的另一条边上。

在图3描述的二极管激光阵列泵浦源模块中，二极管激光阵列泵浦源模块包括安装在散热片13延伸平面板上的小型高速冷却风机14、陶瓷加热片12、温度传感器16，二极管激光阵列泵浦源热沉11、二极管激光阵列泵浦源15、激光工作介质晶体8以及晶体座7，其中，散热片13依次排列，陶瓷加热片12紧贴于散热片13下方底平面上，一端相连温度传感器16，位于散热片13与二极管激光阵列泵浦源热沉11之间。激光工作介质晶体8固联在晶体座7上，位于二极管激光阵列泵浦源15下方，温度传感器16通过固定螺钉固定在二极管激光阵列泵浦源热沉11上，控制二极管激光阵列泵浦源15二极管的工作温度。

为了保证二极管激光阵列泵浦源的良好散热，二极管激光阵列泵浦源15是通过金属In焊在二极管激光阵列泵浦源热沉11上的，而二极管激光阵列泵浦源热沉11又与高效陶瓷加热片12和散热片13之间通过金属In薄片紧密热接触，保证二极管激光阵列泵浦源在低温-40℃环境时，能被陶瓷加热片12很快加热到+40℃，到达二极管激光阵列泵浦源的正常工作点，也能保证在+65℃高温环境时，二极管激光阵列泵浦源自身温度当超过+70℃时，能被小型高速冷却风机14强迫风冷散热片13降温，使之冷却到低于+70℃，从而到达二极管激光阵列泵浦源的正常工作点。为了保证激光工作介质晶体8的良好散热以及尽可能小的安装应力，激光工作介质8也是通过金属In焊在晶体座7上的。

在图4描述的二极管激光阵列泵浦源安装的局部示意图中，二极管激光泵浦源15是以直行阵列形式In焊在二极管激光阵列泵浦源热沉11的中部，温度传感器16通过螺钉固定在二极管激光阵列泵浦源热沉11一侧端面上，以达到有效控制二极管的工作温度的目的。

工作于高低温环境的无热电制冷TEC(-ThermoElectric Cooler)恒温的小型风冷二极管泵浦DPL(Diode Pump Laser)固体脉冲激光器，是指小型风冷的二极管激光阵列泵浦的Nd:YAG固体激光器，在-40℃～+65℃环境下，无TEC恒温，以20Hz～30Hz脉冲重复频率稳定可靠的工作，激光输出能量100-150mJ，激光束散小、光束质量高且激光器体积小，能适用于多种机载或车载激光测距/指示仪。该激光器主要由激光工作介质8、二极管激光阵列泵浦源15、陶瓷加热片12、散热片13、高速冷却风机14、温度传感器16，和相应的其他激光谐振腔光学元件组成，激光工作介质8处于一个凹形热传导冷却槽7中；其中二极管激光阵列泵浦源15是关键性元件，它能够在宽温度范围+40℃～+70℃环境下高效率地发射脉宽200us、波长808nm的泵浦光，这是Nd:YAG激光介质的有效吸收波长，偏离该波长将导致DPL激光器效率大幅度降低，而不能使用。由于采用这种特殊的泵浦源15，以及和高效陶瓷加热片12、散热片13、温度传感器16、高速冷却风机14的有效结合，使得这种小型Nd:YAG重频固体激光器能够在-40℃～+65℃环境下，无TEC恒温，以20Hz～30Hz脉冲重复频率稳定可靠的工作，激光输出能量100-150mJ，激光束散小、光束质量高，能适用于多种机载或车载激光测距/指示仪。

Claims (10)

1.一种无TEC恒温小型风冷重频DPL激光器，包括安装在箱体盖板上的+40℃～+70℃宽温度范围的二极管激光阵列泵浦源(15)、安装于同一钛合金金属框体(17)结构面一端上的输出镜(1)、全反射镜(2)和与安装在钛合金框体(17)另一端的四面体三棱镜(9)一起组成的180°折叠谐振腔，其特征在于，安装在同一钛金属框(17)结构面上的输出镜(1)和全反射镜(2)位于180°折叠谐振腔的同一面，同时在钛合金框体(17)的另一端，采用一个三面相互垂直的四面体三棱镜(9)作为180°光路折叠镜；二极管激光阵列泵浦源(15)在低温-40℃～+39℃下，由位于风冷散热片(13)下面的陶瓷加热片(12)快速加热，当加热至正常工作温度范围时，温度传感器(16)动作,控制陶瓷加热片(12)停止加热，当二极管激光阵列泵浦源(15)温度高于+70℃时，由位于二极管激光阵列泵浦源热沉(11)下方的高速冷却风机(14)快速冷却。

2.根据权利要求1所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在于：激光谐振腔是180°折叠谐振腔，由输出镜(1)、全反镜(2)、双光楔(3)、1/4波片(4)、电光调Q晶体(5)、偏振片(6)、四面体三棱镜(9)和激光工作介质(8)、x-y方向柱面镜(10)构成，其中全反镜(2)与输出镜(1)安装在钛合金箱体(17)的同一端，四面体三棱镜(9)安装在钛合金箱体(17)的另一端，四面体三棱镜(9)的入射光线始终与出射光线保持平行，它与全反射镜(2)和输出镜(1)构成双边180°折叠谐振腔。

3.根据权利要求2所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在：激光工作介质(8)与x-y方向柱面镜(10)、输出镜(1)处于180°折叠腔的一条边上，全反镜(2)、双光楔(3)、1/4波片(4)、电光调Q晶体(5)、偏振片(6)位于180°折叠腔的另一条边上，平行地排列安装在钛合金框体(17)内。

4.根据权利要求2所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在于：x-y柱面镜(10)、激光工作介质YAG板条晶体(8)同光轴，位于输出镜(1)、四面体三棱镜(9)上内侧面之间，二极管激光阵列泵浦源(15)分布于所述激光工作介质YAG板条晶(8)上方。

5.根据权利要求1或2所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在于：全反镜(2)、双光楔3、1/4波片(4)、电光开关(5)、偏振片(6)同光轴顺次排列于四面体三棱镜(9)下内侧面，依次安装在钛合金框体(17)中，它们处于激光折叠腔的一条边上；激

光工作介质(8)安装在晶体座(7)上，与x-y方向柱面镜(10)、输出镜(1)依次安装在钛合金框体(17)中，它们处于激光折叠腔的另一条边上。

6.根据权利要求1所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在于：二极管激光阵列泵浦源包括安装在散热片(13)延伸平面板上的小型高速冷却风机(14)、陶瓷加热片(12)、温度传感器(16)，二极管激光阵列泵浦源热沉(11)、二极管激光阵列泵浦源(15)、激光工作介质晶体(8)以及晶体座(7)，其中，陶瓷加热片(12)紧贴于散热片(13)下方的平面上，一端相连温度传感器(16)，位于散热片(13)与二极管激光阵列泵浦源热沉(11)之间。

7.根据权利要求2所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在于：激光工作介质晶体(8)固联在晶体座(7)上，位于二极管激光阵列泵浦源(15)下方，温度传感器(16)通过固定螺钉固定在二极管激光阵列泵浦源热沉(11)上，控制二极管激光阵列泵浦源二极管的工作温度。

8.根据权利要求7所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在于：二极管激光阵列泵浦源(15)是通过金属In焊在二极管激光阵列泵浦源热沉(11)上的，二极管激光阵列泵浦源热沉(11)与高效陶瓷加热片(12)和散热片(13)之间通过金属In薄片紧密热接触。

9.根据权利要求2所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在于：激光工作介质(8)通过金属In焊在晶体座(7)上。

10.根据权利要求1所述的无TEC恒温小型风冷重频DPL固体脉冲激光器，其特征在于：二极管激光泵浦源(15)以直行阵列形式In焊在二极管激光阵列泵浦源热沉(11)的中部。