CN106571579B - 一种活塞式可调碟片激光器晶体冷却指 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活塞式可调碟片激光器晶体冷却指，包括液态金属冷却装置和活塞式可调水冷却装置两部分构成。这种可调碟片激光器冷却指可以根据所用碟片激光器功率的不同调节液态金属冷却装置内液体流速，调节水循环系统流速，进而加快热交换，达到迅速冷却的目的。同时该发明优势在于，通过活塞式可调冷却装置加大了与液态金属热交换的面积，提升了晶体的冷却效率；采用双冷却系统能够大大提升碟片激光器工作物质的冷却效率，最大限度的减小晶体热透镜效应的发生，保证输出激光光束质量；同时本发明不会因为水循环系统故障而更换整个碟片激光器冷却指，只需更换对应型号冷却活塞即可，这样的结构契合碟片激光器思想‑‑‑‑模块化设计。
Description
技术领域
本发明涉及碟片激光器晶体冷却领域，具体涉及到一种活塞式可调碟片激光器晶体冷却指领域。
背景技术
激光器碟片激光器(Disk Laser)，又称圆盘激光器，它与传统的固体激光器的本质区别在于激光工作物质的形状。将传统的固体激光器的棒状晶体改为碟片晶体，这一创新理念将固体激光器推向了一个新时代。碟片激光器以其极佳的光束质量和转换效率在工业
制造业中得到了日益广泛的应用。激光器设计过程的一个重要问题是激光工作物质的冷却，冷却效果直接关系到激光器的质量。由于传统的棒状激光晶体只能侧面冷却，即冷却须通过晶体棒的径向热传导来实现，因此棒内温度呈抛物线形型分布，导致在棒内形成所谓的热透镜。这种热透镜效应会严重影响激光束的质量，并随抽运功率的变化而变化。抽运功率越大，热透镜效应越大，热透镜的焦距越短，激光甚至可能由稳态变为非稳态，从而严重限制了固体激光器向高功率方向的发展。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种活塞式可调碟片激光器晶体冷却指。集液态冷却系统和可调式活塞水冷却系统与一体，通过双冷却系统进行冷却，大大提高了对碟片激光器晶体的冷却效率，为大功率激光器输出的光束质量奠定了良好的基础。
本发明采取的技术方案为：
本发明包括液态金属冷却装置，活塞式可调水冷却系统两部分构成：
液态金属冷却装置包括直流式电磁泵，液态金属，钨铜壳体，圆形碟片状增益晶体四部分构成。
活塞式可调水冷却装置包括水循环系统，钨铜壳体两部分构成。
其中，液态冷却装置中，直流式电磁泵可根据碟片激光器功率不同定制不同直径和功率的电磁泵，因其内部无机械结构所以不产生噪声。碟片工作物质通过金铟焊焊接在壳体热沉位置，进而液态金属可以将碟片物质产生的热量导出实现晶体的冷却；活塞式可调冷却装置中采用钨铜管之前涂抹导热硅胶合活塞式可调水冷却装置，将其内部热量传到水循环系统内，通过循环系统将其导出，此活塞式水冷却系统本发明仅例举三种，直通水式，多管喷淋式，偏轴蝴蝶式等活塞式内套冷却装置。其中，直通水式采用单路水循环系统进行冷却，结构简单易于加工；多管喷淋式采用多只口径一致的钨铜管连接外部水冷却控制系统，通过外部控制各个管道内水流速度大小来提高冷却效果；偏轴蝴蝶式采用中心为椭圆形偏轴喷管，周围为小口径喷管设计，由于碟片激光器聚焦位置会因焊接技术，非球面镜加工等不可抗原因产生一定的小范围的偏心，聚焦光斑在实际工作用中，聚焦光斑产生少量偏心移动，当这样的情况发生时可以采用蝴蝶型水冷装置进行冷却，可不必更换整个热沉系统或者重新进行焊接调整。
液态金属冷却系统和水冷却系统内嵌部分采用导热硅作为导热装置，可以很好的将液态金属吸收的热量进行交换导出。
活塞式可调水冷却装置可以根据不同口径，不同工作功率的激光器进行适当更换，此处仅例举三种作为活塞式可调水冷却装置设计方案。
入水块上的通孔为一个圆形通孔，且入水块与圆形通孔同轴设置，形成活塞式直通式水循环钨铜喷嘴。
入水块上的通孔为5个以上圆形通孔，其中一个与入水块同轴设置，其余圆形通孔以入水块的轴线为对称轴均匀设置，形成活塞式喷淋式水循环钨铜喷嘴。
入水块上的通孔为1个以上，其中一个位于入水块的中部、为椭圆形通孔，其余为圆形通孔、设置于椭圆形通孔的四周，形成活塞式偏轴蝴蝶型水循环钨铜喷嘴。
偏轴蝴蝶型喷嘴可以按照聚焦位置的不同进行不同偏心距离或者聚焦光斑的大小来设定中心冷却喷管大小，进而可以很好的进行碟片晶体中心的冷却。
采用可调活塞式水冷却系统和液态金属冷却系统这样的双冷却系统模式，对碟片激光器晶体进行冷却。通过利用导热硅将活塞式水循环管体与液态金属管体贴合，加大了水循环系统与液态金属之间的热交换的面积，最大限度的将液态金属热量及时导出，进而提升了碟片激光器晶体的冷却效率；
本发明不会因为水循环系统故障而更换整个碟片激光器冷却指，只需更换对应型号冷却活塞即可。
壳体为上端开口下端密闭的中空圆筒，壳体圆筒的密闭端面和侧壁面为相互连通的空心壁面结构，空心壁面由同轴设置的内筒和外筒构成，内筒和外筒均为上端开口下端密闭的中空圆筒，内筒和外筒的密闭端面和侧壁面间留有空隙形成空心壁面结构，内筒和外筒的开口端密闭连接，内筒和外筒之间形成密闭的空腔，空腔内填充有液态金属物质，外筒上开设有进水口和出水口，进水口和出水口通过管道连接，于管道外部设有直流式电磁泵；于壳体圆筒的密闭端下方设有圆形碟片状增益晶体；
于壳体的筒体内设有活塞式可调水冷却系统，所述活塞式可调水冷却系统为一上端开口下端密闭的中空圆筒，中空圆筒筒体内设有圆柱形入水块，入水块和中空圆筒同轴、且入水块和中空圆筒壁面间留有空隙形成冷却水通道，入水块上部和中空圆筒开口端密闭连接，于入水块内部沿轴向设有通孔，入水块的通孔上部作为与外部的冷却水源相连的冷却水入口；于靠近中空圆筒开口端的冷却水通道外壁上设有冷却水出口。
壳体圆筒的密闭端与圆形碟片状增益晶体相贴接；圆形碟片状增益晶体为圆形薄片，壳体圆筒与圆形碟片状增益晶体同轴设置，且壳体圆筒的直径大于等于圆形碟片状增益晶体的直径。
构成冷却水通道的中空圆筒壁为钨铜材质；
直流式电磁泵为方块状，包裹于管道外壁面上；液态金属物质为液态钠、液态钠-钾混合物或液态锂；壳体为钨铜壳体；管道为钨铜管道；圆形碟片状增益晶体为Yb：YAG或Yb：Lu2Q5。
直流式电磁泵外部加装散热片。
壳体的筒体内壁面与活塞式可调水冷却系统的中空圆筒外壁面相贴接；于壳体的筒体内壁面与活塞式可调水冷却系统的中空圆筒外壁面间设有导热硅层。
本发明具有以下优势：
本发明属于碟片激光器晶体冷却领域，采用液态金属配合直流式电磁泵作为热交换装置，将碟片激光器增益晶体产生的热量导出，同时利用活塞式可调水冷却系统配合液态金属冷却系统，进行双系统冷却。大大提升了碟片激光器晶体的冷却效率，同时该冷却装置可以根据碟片激光器的功率的不同控制液态金属流速和水冷却系统中的喷管水速。加快冷却晶体温度效率，减小碟片晶体由于温度过高产生热透镜效应，影响碟片激光器出光光束质量。
附图说明
图1为本发明实施例碟片激光器冷却指结构剖面示意图。
图2为本发明实施例活塞式直通式水循环钨铜活塞示意图。
图3为本发明实施例活塞式喷淋式水循环钨铜活塞示意图。
图4为本发明实施例活塞式偏轴蝴蝶型水循环钨铜活塞示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了碟片激光器冷却指结构剖面示意图；包括：液态金属冷却装置，水冷却装置两部分构成。其中，
1为直流式直流式电磁泵，2为液态金属物质(液态钠，钠-钾混合物，液态锂或其他液态冷却金属等)，3为活塞式可调水冷却系统，4为钨铜壳体，5为圆形碟片状增益晶体(Yb：YAG或Yb：Lu2Q5等)。
壳体为上端开口下端密闭的中空圆筒，壳体圆筒的密闭端面和侧壁面为相互连通的空心壁面结构，空心壁面由同轴设置的内筒和外筒构成，内筒和外筒均为上端开口下端密闭的中空圆筒，内筒和外筒的密闭端面和侧壁面间留有空隙形成空心壁面结构，内筒和外筒的开口端密闭连接，内筒和外筒之间形成密闭的空腔，空腔内填充有液态金属物质，外筒上开设有进水口和出水口，进水口和出水口通过管道连接，于管道外部设有直流式电磁泵；于壳体圆筒的密闭端下方设有圆形碟片状增益晶体；
于壳体的筒体内设有活塞式可调水冷却系统，所述活塞式可调水冷却系统为一上端开口下端密闭的中空圆筒，中空圆筒筒体内设有圆柱形入水块，入水块和中空圆筒同轴、且入水块和中空圆筒壁面间留有空隙形成冷却水通道，入水块上部和中空圆筒开口端密闭连接，于入水块内部沿轴向设有通孔，入水块的通孔上部作为与外部的冷却水源相连的冷却水入口；于靠近中空圆筒开口端的冷却水通道外壁上设有冷却水出口。
壳体圆筒的密闭端与圆形碟片状增益晶体相贴接；圆形碟片状增益晶体为圆形薄片，壳体圆筒与圆形碟片状增益晶体同轴设置，且壳体圆筒的直径大于等于圆形碟片状增益晶体的直径。
构成冷却水通道的中空圆筒壁为钨铜材质；
直流式电磁泵为方块状，包裹于管道外壁面上；
直流式电磁泵外部加装散热片。
壳体的筒体内壁面与活塞式可调水冷却系统的中空圆筒外壁面相贴接；于壳体的筒体内壁面与活塞式可调水冷却系统的中空圆筒外壁面间设有导热硅层。
如图2所示，本发明实施例活塞式直通式水循环钨铜喷嘴示意图，其中，6为直通式入水口，7为出水口。入水块上的通孔为一个圆形通孔，且入水块与圆形通孔同轴设置，形成活塞式直通式水循环钨铜喷嘴。
如图3所示，本发明实施例活塞式喷淋式水循环钨铜喷嘴示意图，其中，8为喷淋式入水口，7为出水口。入水块上的通孔为13个圆形通孔，其中一个与入水块同轴设置，其余12个圆形通孔以入水块的轴线为对称轴均匀设置，形成活塞式喷淋式水循环钨铜喷嘴。
如图4所示，实施例活塞式偏轴蝴蝶型水循环钨铜喷嘴示意图，其中9为偏轴蝴蝶型式入水口，7为出水口。入水块上的通孔为9个以上，其中一个位于入水块的中部、为椭圆形通孔，其余8个为圆形通孔、设置于椭圆形通孔的四周，形成活塞式偏轴蝴蝶型水循环钨铜喷嘴。
本发明具体实施为：当碟片激光器进行装配完毕后，采用指示光确定碟片晶体5上泵浦光斑范围，碟片激光器功率的大小，选择合适的活塞式冷却装置3，连接外部水循环系统。激光器开始工作时开启直流式电磁泵1，开启活塞式可调水冷却系统3，持续30秒后，开启碟片激光器。圆形碟片状增益晶体(Yb：YAG或Yb：Lu2Q5等)5产生热量，通过液态金属2循环将热量导出，同时，活塞式可调水冷却系统3将钨铜管4内的液态金属进行冷却，通过水循环系统将液态金属内部热量导出，保证液态金属循环系统内温度恒定循环，周而复始进而将碟片激光器晶体进行双系统冷却。当工作结束先关闭碟片激光器泵浦光电源，冷却系统可适当延迟1-5分钟后关闭。这样可以使碟片激光器晶体逐渐冷却不会因为突然失去冷却装置而产生热胀冷缩效应，产生晶体炸裂。
本发明可调碟片激光器冷却指可以根据所用碟片激光器功率的不同调节液态金属冷却装置内液体流速，调节水循环系统流速，进而加快热交换，达到迅速冷却的目的。同时该发明优势在于，通过活塞式可调冷却装置加大了与液态金属热交换的面积，提升了晶体的冷却效率；采用双冷却系统能够大大提升碟片激光器工作物质的冷却效率，最大限度的减小晶体热透镜效应的发生，保证输出激光光束质量；同时本发明不会因为水循环系统故障而更换整个碟片激光器冷却指，只需更换对应型号冷却活塞即可，这样的结构契合碟片激光器思想----模块化设计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种活塞式可调碟片激光器晶体冷却指，其特征在于：包括液态金属冷却装置和活塞式可调水冷却系统：
液态金属冷却装置包括直流式电磁泵，液态金属，壳体，圆形碟片状增益晶体；
壳体(4)为上端开口下端密闭的中空圆筒，壳体圆筒的密闭端面和侧壁面为相互连通的空心壁面结构，空心壁面由同轴设置的内筒和外筒构成，内筒和外筒均为上端开口下端密闭的中空圆筒，内筒和外筒的密闭端面和侧壁面间留有空隙形成空心壁面结构，内筒和外筒的开口端密闭连接，内筒和外筒之间形成密闭的空腔，构成循环通道结构，空腔内填充有液态金属物质（2），以实现内部液态金属物质（2）的循环，用于冷却作用；外筒上开设有进水口和出水口，进水口和出水口通过管道连接，于管道外部设有直流式电磁泵（1）；于壳体圆筒的密闭端下方设有圆形碟片状增益晶体（5）；
于壳体(4)的筒体内设有活塞式可调水冷却系统（3），所述活塞式可调水冷却系统为一上端开口下端密闭的中空圆筒，中空圆筒筒体内设有圆柱形入水块，入水块和中空圆筒同轴、且入水块和中空圆筒壁面间留有空隙形成冷却水通道，入水块上部和中空圆筒开口端密闭连接，于入水块内部沿轴向设有通孔，入水块的通孔上部作为与外部的冷却水源相连的冷却水入口；于靠近中空圆筒开口端的冷却水通道外壁上设有冷却水出口。
2.根据权利要求1所述的冷却指，其特征在于：
壳体圆筒的密闭端与圆形碟片状增益晶体（5）相贴接；圆形碟片状增益晶体为圆形薄片，壳体圆筒与圆形碟片状增益晶体同轴设置，且壳体圆筒的直径大于等于圆形碟片状增益晶体的直径。
3.根据权利要求1所述的冷却指，其特征在于：
构成冷却水通道的中空圆筒壁为钨铜材质；
直流式电磁泵（1）为方块状，包裹于管道外壁面上；液态金属物质为液态钠、液态钠-钾混合物或液态锂；壳体(4)为钨铜壳体；管道为钨铜管道；圆形碟片状增益晶体为Yb：YAG或Yb：Lu2Q5。
4.根据权利要求1所述的冷却指，其特征在于：
直流式电磁泵外部加装散热片。
5.根据权利要求1所述的冷却指，其特征在于：壳体(4)的筒体内壁面与活塞式可调水冷却系统（3）的中空圆筒外壁面相贴接；于壳体(4)的筒体内壁面与活塞式可调水冷却系统（3）的中空圆筒外壁面间设有导热硅层。
6.根据权利要求1所述的冷却指，其特征在于：入水块上的通孔为一个圆形通孔，且入水块与圆形通孔同轴设置，形成活塞式直通式水循环钨铜喷嘴。
7.根据权利要求1所述的冷却指，其特征在于：入水块上的通孔为5个以上圆形通孔，其中一个与入水块同轴设置，其余圆形通孔以入水块的轴线为对称轴均匀设置，形成活塞式喷淋式水循环钨铜喷嘴。
8.根据权利要求1所述的冷却指，其特征在于：入水块上的通孔为1个以上，其中一个位于入水块的中部、为椭圆形通孔，其余为圆形通孔、设置于椭圆形通孔的四周，形成活塞式偏轴蝴蝶型水循环钨铜喷嘴。
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