CN106816805B - 太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统及采用其的激光器 - Google Patents

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Abstract

一种太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统及采用其的激光器，该液氮冷却系统包括：一液氮杜瓦瓶，所述液氮杜瓦瓶的内壳为“L”形结构；一管芯安装座，所述管芯安装座位于所述液氮杜瓦瓶内壳拐角一端的端部，与所述内壳为一体结构，且所述管芯安装座上设有一容纳所述激光器管芯热沉的凹槽和一方台，用于固定安装所述激光器管芯的热沉。本发明提供的液氮制冷工作太赫兹量子级联激光器的封装结构可以实现太赫兹量子级联激光器工作过程中的充分散热，实现器件在液氮温度下工作，同时利用光锥、透镜等光学元件充分收集出射光，并对光束进行整形，保证最终获得足够大的光功率和良好的光束质量。

Description

太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统及采用其的激光器
技术领域
本发明涉及真空制冷和太赫兹技术领域，具体地涉及一种太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统及采用其的激光器。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz成像)频率范围在电磁波谱中位于高速发展的电子技术和光子技术之间，通常定义为0.1～10THz，对应3000～30μm波长范围。THz波在波谱成像、安全反恐、宽带通讯、天文研究等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。美国2004年出版的《科技评论》把THz技术列为改变未来世界的十大技术之一，日本在2005年的科技战略规划中把THz技术列为十大关键技术之首，而我国2006年的第270次香山科学会议上也提出了“太赫兹科学技术的新发展”。太赫兹量子级联激光器以其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为最具发展潜力的太赫兹光源和太赫兹领域研究热点。
在研究初期，太赫兹量子级联激光器需要工作在液氦温度，随着近年来研究的深入，太赫兹量子级联激光器工作温度、输出功率等性能方面得到了非常大的改进和提高，已成功实现了液氮温度下工作。但通常的液氮杜瓦瓶中，管芯只能固定在冷指上，因此管芯与液氮之间存在一定距离，不能很好的实现器件的制冷。而太赫兹量子级联激光器需要较大驱动电功率，产热严重，制冷量不足时不能工作，此外，在液氮下工作，激光器功率相对较小，需要尽可能多的对出射光进行收集，以获得较大功率的光输出。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种太赫兹量子级联激光器液氮冷却系统，以解决太赫兹量子级联激光器产热多的问题，提供足够大的制冷量，高效率的收集出射光，以实现量子级联激光器在液氮温度下的工作要求。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，包括：
一液氮杜瓦瓶，所述液氮杜瓦瓶的内壳为“L”形结构；
一管芯安装座，所述管芯安装座位于所述液氮杜瓦瓶内壳拐角一端的端部，与所述内壳为一体结构，且所述管芯安装座上设有一容纳所述激光器管芯热沉的凹槽和一方台，用于固定安装所述激光器管芯的热沉。
其中，所述管芯安装座凹槽的尺寸比所述激光器管芯热沉的尺寸大，长宽高尺寸均分别大0.5-1.5mm。
其中，所述激光器管芯的热沉通过螺钉或螺栓穿过所述方台拧紧固定。
其中，所述激光器管芯的热沉与所述管芯安装座的凹槽之间的缝隙中填充有导热材料，所述导热材料为导热硅脂。
其中，所述激光器管芯的热沉中心有一半球形凹槽，在与所述管芯安装座的凹槽固定时，保证所述热沉底面与所述管芯安装座紧密接触。
其中，所述冷却系统还包括一光学元件支架，所述光学元件支架直接固定于所述液氮杜瓦瓶内壳上，使所述激光器的光学元件紧贴所述激光器的腔面。
其中，所述光学支架由金属材料制成。
作为本发明的另一个方面，本发明还提出了一种采用如上所述太赫兹量子级联激光器的氮气冷却系统的太赫兹量子级联激光器。
基于上述技术方案可知，本发明的太赫兹量子级联激光器液氮冷却系统及采用其的激光器具有如下优点：杜瓦瓶内壳为底端有拐角的“L”型设计，将管芯直接固定于内壳上，有利于提供更大的制冷量；管芯底座成凹槽设计，能够实现四面散热；管芯从顶部用螺钉拧紧固定，便于安装和拆卸；利用光锥进行光的收集，保证最终获得足够大的光功率输出和良好的光束质量；光锥支架与管芯底座用螺钉固定，便于安装和更换。
附图说明
图1是本发明的太赫兹量子级联激光器液氮冷却系统的剖视图。
图中，1、液氮杜瓦瓶；2、液氮杜瓦瓶内壳；3、SMA接头；4、管芯固定螺钉；5、管芯固定凹槽；6、光锥支架；7、太赫兹窗口；8、光学元件固定孔；9、光学元件支架固定螺钉；10、管芯固定底座；11、窗口架；12、带螺纹孔方台；13、液氮杜瓦瓶连接法兰；14、液氮杜瓦瓶抽气阀；15、液氮；16、热沉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，包括：
一液氮杜瓦瓶，液氮杜瓦瓶的内壳为“L”形结构；
一管芯安装座，管芯安装座位于液氮杜瓦瓶内壳拐角一端的端部，与内壳为一体结构，且管芯安装座上设有一容纳激光器管芯热沉的凹槽和一方台，用于固定安装激光器管芯的热沉。
其中，管芯安装座凹槽的尺寸比激光器管芯热沉的尺寸大，例如长宽高尺寸均大0.5-1.5mm。
其中，激光器管芯的热沉通过螺钉或螺栓穿过方台拧紧固定。
其中，激光器管芯的热沉与管芯安装座的凹槽之间的缝隙中填充有导热材料，例如填充有导热硅脂。
其中，激光器管芯的热沉中心有一半球形凹槽，在与管芯安装座的凹槽固定时，保证热沉底面与管芯安装座紧密接触。
其中，该冷却系统还包括一光学元件支架，光学元件支架直接固定于液氮杜瓦瓶内壳上，使激光器的光学元件紧贴激光器的腔面。光学支架由金属材料制成。
本发明还公开了一种采用如上所述的太赫兹量子级联激光器的冷却系统的太赫兹量子级联激光器。
下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步的阐述说明。
图1中，杜瓦瓶内外壳体为两层结构，作用是用于构成真空杜瓦双层结构。内壳2底部设计成为带拐角的“L”型结构，以便于安装带太赫兹量子级联激光器管芯的热沉。内壳2底部拐角部分前端设计成为“L”型带凹槽5的结构，凹槽尺寸稍大于热沉16尺寸，如长宽高尺寸均比热沉尺寸大1mm；热沉和凹槽之间缝隙用导热材料，如导热硅脂，进行填充，以增大散热面积；然后利用固定螺钉4穿过带螺纹孔方台12拧紧固定热沉，热沉16中心有一半球形凹槽，在固定螺钉拧紧时，保证热沉从中心受力，使热沉底面与管芯安装底座紧密接触；方台12上带有两个接线柱，用于焊接激光器电极线，接线柱引线从内外壳之间的夹层空间到达杜瓦瓶背部SMA接头3引出，用于外加驱动电流，使激光器工作。
在“L”型结构的前端面带有两个螺纹孔，用于固定光锥支架6。光学元件支架上带有光学元件安装孔8，用于盛放光学元件，如光锥、透镜等，通过螺钉9将光学元件支架固定在内壳2上，能够紧贴管芯腔面，以保证最大效率的收集出射光，并对激光光束进行整形。
图中11为窗口底座，采用透射太赫兹波的材料，如高阻硅、聚乙烯、TPX等。窗口底座11的长度要与光锥长度相对应，保证安装光学元件支架6的空间，最后，通过法兰13，将窗口底座11和杜瓦本体进行连接，通过抽气阀14抽真空后可灌入液氮15进行降温，待温度稳定后可对激光器进行加电，实现太赫兹量子级联激光器液氮制冷下的工作。
经多次试验，本发明的太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统可以实现太赫兹量子级联激光器工作过程中的充分散热，实现器件在液氮温度下工作，同时利用光锥、透镜等光学元件充分收集出射光，并对光束进行整形，保证最终获得足够大的光功率和良好的光束质量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括：
一液氮杜瓦瓶，所述液氮杜瓦瓶的内壳为“L”形结构；
一管芯安装座，所述管芯安装座位于所述液氮杜瓦瓶内壳拐角一端的端部，与所述内壳为一体结构，且所述管芯安装座上设有一容纳所述激光器管芯热沉的凹槽和一方台，用于固定安装所述激光器管芯的热沉；
一光学元件支架，所述光学元件支架直接固定于所述液氮杜瓦瓶内壳上，使所述激光器的光学元件紧贴所述激光器的腔面。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，其中所述管芯安装座凹槽的尺寸比所述激光器管芯热沉的尺寸大，长宽高尺寸均分别大0.5-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，其中所述激光器管芯的热沉通过螺钉或螺栓穿过所述方台拧紧固定。
4.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，其中所述激光器管芯的热沉与所述管芯安装座的凹槽之间的缝隙中填充有导热材料。
5.根据权利要求4所述的太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，其中所述激光器管芯的热沉与所述管芯安装座的凹槽之间填充有导热硅脂。
6.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，其中所述激光器管芯的热沉中心有一半球形凹槽，在与所述管芯安装座的凹槽固定时，保证所述热沉底面与所述管芯安装座紧密接触。
7.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统，其中所述光学元件支架由金属材料制成。
8.一种采用如权利要求1至7任意一项所述太赫兹量子级联激光器的液氮冷却系统的太赫兹量子级联激光器。
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