CN107204563B - 一种用于固体激光增益介质的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于固体激光增益介质的冷却装置。所述装置包括：多孔薄膜，设置于所述固体激光增益介质的至少一个通光面上；存储装置，用于存储液相冷却工质；在所述多孔薄膜内的吸液芯产生的毛细力的作用下，所述存储装置中存储的液相冷却工质流入所述多孔薄膜内的孔隙中，并通过发生相变与所述固体激光增益介质的通光面进行换热，从而吸收所述固体激光增益介质内的热量，其中，所述多孔薄膜与所述存储装置中存储的液相冷却工质的液面接触。本发明以多孔薄膜内的孔隙为冷却工质的流动通道，以多孔薄膜的毛细力为驱动力，对固体激光增益介质的通光面进行冷却，具有换热系数大、冷却效率高、热透镜效应微弱、对激光波面影响小、无需外界动力等优势。

Description

一种用于固体激光增益介质的冷却装置

技术领域

本发明涉及相变冷却领域，具体地，涉及一种用于固体激光增益介质的冷却装置。

背景技术

固体激光器是应用极其广泛的一类激光器，涉及科学研究、生产加工、国防军事、医疗生物等各个领域。目前，限制高功率固体激光器的输出能力(主要指激光输出功率和光束质量)的主要技术原因是固体激光材料的热效应。在高功率二极管的泵浦下，固体激光材料将会产生大量的热量，限制激光的输出功率并影响激光的光束质量。严重时，还将导致固体激光材料的炸裂，致使激光器产生不可修复的损坏。对固体激光材料的热效应施以有效的控制，是高功率固体激光器发展面临的主要技术挑战。

对于具有高热流密度的固体激光增益介质，目前优选的单相冷却方法主要有两种：单相微通道热沉传导冷却和液体直接对流冷却。然而，这两种方法各有局限性。第一种方法中，微通道热沉可实现较高的换热系数，但无法直接冷却泵浦面，而泵浦面是热流密度最高的区域，这种结构性的缺陷影响了冷却效果，同时会造成较大的热梯度。第二种方法中，液体对固体激光增益介质实施浸没式冷却，可直接冷却泵浦面，而且可实现轴向热梯度(与激光通光方向一致)，显著降低热透镜效应和热退偏效应。然而，冷却液需保持高流速以实现较高的换热系数，会对通过冷却液的激光的波面造成严重畸变。若需实现高光束质量输出，冷却液流速受限，这大大抑制了换热能力。

从增强换热的物理机制上考虑，两相流体传热具有单相流体无可比拟的优势，可充分利用汽化潜热获得极高的换热系数、较低的入口流速以及更均匀的壁面温度。目前，高功率激光器的相变换热方法包括射流冲击冷却、喷雾冷却、两相流热沉冷却、热管冷却等，其中热管冷却技术依靠吸液芯的毛细力驱动流体，无需外界动力，可用于太空等特殊环境。然而，现有的相变冷却方案同样存在无法直接冷却泵浦面、无法轴向传热或者引入较大波面畸变的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于固体激光增益介质的冷却装置。所述冷却装置既能高效冷却固体激光增益介质的泵浦面，又不引起较大的波面畸变，同时保持轴向热梯度。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于固体激光增益介质的冷却装置。所述装置包括：

多孔薄膜，设置于所述固体激光增益介质的至少一个通光面上；

存储装置，用于存储液相冷却工质；

在所述多孔薄膜内的吸液芯产生的毛细力的作用下，所述存储装置中存储的液相冷却工质流入所述多孔薄膜内的孔隙中，并通过发生相变与所述固体激光增益介质的通光面进行换热，从而吸收所述固体激光增益介质内的热量，

其中，所述多孔薄膜与所述存储装置中存储的液相冷却工质的液面接触。

可选地，所述多孔薄膜的层数至少为一层。

可选地，所述多孔薄膜还设置于所述固体激光增益介质的非通光面上。

可选地，所述多孔薄膜通过镀制或涂覆的方式覆盖于所述固体激光增益介质的通光面和非通光面上。

可选地，所述多孔薄膜的材料为多孔二氧化硅溶胶凝胶膜。

可选地，所述固体激光增益介质的几何构型为以下中的至少一者：板条状、薄板状、碟片状或棒状。

可选地，所述固体激光增益介质的材料为以下中的至少一者：激光晶体、激光玻璃介质、激光塑料介质或激光陶瓷介质。

可选地，所述液相冷却工质为液态水或液态氟利昂。

可选地，所述装置还包括：

收集器，用于收集所述液相冷却工质发生相变后的气相冷却工质。

可选地，所述装置还包括：

冷凝器，与所述收集器和所述存储装置连接，用于将所述收集器收集的气相冷却工质冷凝为液相冷却工质，并输入至所述存储装置中。

通过上述技术方案，将多孔薄膜设置于固体激光增益介质的通光面上，在多孔薄膜内的吸液芯产生的毛细力的作用下，存储装置中存储的液相冷却工质流入多孔薄膜内的孔隙中，并通过发生相变与固体激光增益介质的通光面进行换热，从而吸收固体激光增益介质内的热量，既能高效冷却固体激光增益介质的泵浦面，又不引起较大的波面畸变，同时保持轴向热梯度。此外，还具有换热系数大、冷却效率高、无需外界提供动力等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的用于固体激光增益介质的冷却装置的结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的用于固体激光增益介质的冷却装置的结构示意图。

附图标记说明

1固体激光增益介质 2多孔薄膜 3液相冷却工质

4气相冷却工质 5储液池 6泵浦源 7泵浦光光束

8激光光束 9双色镜 10普通增透膜 11收集器 12冷凝器

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种用于固体激光增益介质的冷却装置。所述装置包括：多孔薄膜，设置于所述固体激光增益介质的至少一个通光面上；存储装置，用于存储液相冷却工质；在所述多孔薄膜内的吸液芯产生的毛细力的作用下，所述存储装置中存储的液相冷却工质流入所述多孔薄膜内的孔隙中，并通过发生相变与所述固体激光增益介质的通光面进行换热，从而吸收所述固体激光增益介质内的热量，其中，所述多孔薄膜与所述存储装置中存储的液相冷却工质的液面接触。藉此，既能高效冷却固体激光增益介质的泵浦面，又不引起较大的波面畸变，同时保持轴向热梯度。此外，还具有换热系数大、冷却效率高、无需外界提供动力等优势。

具体地，本发明采用所述多孔薄膜相变冷却所述固体激光增益介质的特别之处在于：

第一、所述多孔薄膜内的孔隙的内径，也即是冷却工质流动通道的管径为微米/纳米尺度(单相对流结构因压强的限制，管径一般不低于亚毫米量级)，大幅度降低了液体热光系数的作用距离，有利于减小激光波面的畸变；

第二、依靠相变潜热而非对流换热进行冷却，可实现较高的换热系数和换热效率；

第三、受毛细力驱动的冷却工质的流速较低，避免了对流换热的高流速引起的湍流，从而降低了折射率变化的不均匀性，有利于减小激光波面的畸变；

第四、无须外界提供动力，结构简单。

其中，该装置中涉及的多孔薄膜发挥四个重要作用：

(1)光学增透；

(2)提供冷却工质的微尺度流动通道；

(3)多孔薄膜内部的吸液芯产生毛细力；

(4)密集的孔隙可增大多孔薄膜的蒸发面积，提高换热效率。

具体地，所述多孔薄膜及其内部流动的冷却工质共同形成的等效折射率可实现激光光束的高透过率，也即是实现了光学增透。

优选地，所述多孔薄膜的层数至少为一层。藉此，在多孔薄膜的层数为多层的情况下，可进一步冷却固体激光增益介质及提高冷却效率。

优选地，所述多孔薄膜还设置于所述固体激光增益介质的非通光面上。藉此，可在整体上进一步冷却固体激光增益介质及提高冷却效率。

在具体的应用中，所述固体激光增益介质的几何构型为以下中的至少一者：板条状、薄板状、碟片状或棒状，所述固体激光增益介质的材料为以下中的至少一者：激光晶体、激光玻璃介质、激光塑料介质或激光陶瓷介质，所述液相冷却工质为液态水或液态氟利昂，所述多孔薄膜的材料为多孔二氧化硅溶胶凝胶膜，所述多孔薄膜通过镀制或涂覆的方式覆盖于所述固体激光增益介质的通光面和非通光面上，所述存储装置为储液池。

优选地，所述装置还包括：收集器，用于收集所述液相冷却工质发生相变后的气相冷却工质。在气相冷却工质为气态氟利昂的情况下，收集器可收集气态氟利昂。藉此，可避免排入空气中气态氟利昂破坏地球的臭氧层。

优选地，所述装置还包括：冷凝器，与所述收集器和所述存储装置连接，用于将所述收集器收集的气相冷却工质冷凝为液相冷却工质，并输入至所述存储装置中。藉此，可循环使用冷却工质，避免了冷却工质的浪费。

图1是本发明一实施例提供的用于固体激光增益介质的冷却装置的结构示意图。如图1所示，本实施例中固体激光增益介质1为Nd:YAG晶体，多孔薄膜2为多孔二氧化硅溶胶凝胶膜，液相冷却工质3为液态水，气相冷却工质4为水蒸气。固体激光增益介质1的两个通光面均覆盖多孔薄膜2，多孔薄膜2及其内部流动的液相冷却工质3和气相冷却工质4共同形成的等效折射率可实现激光光束8的高透过率。双色镜9镀制的膜层对泵浦光光束7高反，对激光光束8高透。泵浦光光束7经过双色镜9反射后被固体激光增益介质1吸收，吸收能量的一部分在固体激光增益介质1内部产生了热负载。多孔薄膜2的底部与储液池5中液相冷却工质3的液面接触。多孔薄膜2内部的毛细力使液相冷却工质3向上运动流过固体激光增益介质1的通光面，吸收热负载后转变为气相冷却工质4，气相冷却工质4被排出。其中，固体激光增益介质1上被泵浦光光束7照射的面为泵浦面，也即是激光光束8通过固体激光增益介质1的通光面。

图2是本发明另一实施例提供的用于固体激光增益介质的冷却装置的结构示意图。如图2所示，本实施例中固体激光增益介质1为Yb:YAG晶体，多孔薄膜2为多孔二氧化硅溶胶凝胶膜，液相冷却工质3为液态氟利昂，气相冷却工质4为气态氟利昂。固体激光增益介质1的一个通光面覆盖多孔薄膜2，另一个通光面覆盖普通增透膜10，多孔薄膜2及其内部流动的液相冷却工质3和气相冷却工质4共同形成的等效折射率可实现激光光束8的高透过率。双色镜9镀制的膜层对泵浦光光束7高反，对激光光束8高透。泵浦光光束7经过双色镜9反射后被固体激光增益介质1吸收，吸收能量的一部分在固体激光增益介质1内部产生了热负载。多孔薄膜2的底部与储液池5中液相冷却工质3的液面接触。多孔薄膜2内部的毛细力使液相冷却工质3向上运动流过固体激光增益介质1的通光面，吸收热负载后转变为气相冷却工质4，气相冷却工质4被收集器11收集后经过冷凝器12转变为液相冷却工质3，回到储液池5，形成循环的相变冷却过程。其中，固体激光增益介质1上被泵浦光光束7照射的面为泵浦面，也即是激光光束8通过固体激光增益介质1的通光面。

上述实施例只是给出了该固体激光增益介质的相变冷却的两种结构布局，并没有描述所有的可能。实际上，只要冷却工质以固体激光增益介质的通光面上所覆盖的多孔薄膜内孔隙为流动通道，并发生相变对固体激光增益介质进行冷却，同时多孔薄膜及其内部冷却工质形成的等效折射率可实现激光光束的高透过率，即为本发明所涵盖的范围。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述装置包括：

多孔薄膜，设置于所述固体激光增益介质的至少一个通光面上；

存储装置，用于存储液相冷却工质；

在所述多孔薄膜内的吸液芯产生的毛细力的作用下，所述存储装置中存储的液相冷却工质流入所述多孔薄膜内的孔隙中，并通过发生相变与所述固体激光增益介质的通光面进行换热，从而吸收所述固体激光增益介质内的热量，所述多孔薄膜及其内部流动的冷却工质共同形成的等效折射率实现激光光束的高透过率；

其中，所述多孔薄膜与所述存储装置中存储的液相冷却工质的液面接触。

2.根据权利要求1所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述多孔薄膜的层数至少为一层。

3.根据权利要求1或2所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述多孔薄膜还设置于所述固体激光增益介质的非通光面上。

4.根据权利要求3所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述多孔薄膜通过镀制或涂覆的方式覆盖于所述固体激光增益介质的通光面和非通光面上。

5.根据权利要求1所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述多孔薄膜的材料为多孔二氧化硅溶胶凝胶膜。

6.根据权利要求1所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述固体激光增益介质的几何构型为以下中的至少一者：板条状、薄板状、碟片状或棒状。

7.根据权利要求1所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述固体激光增益介质的材料为以下中的至少一者：激光晶体、激光玻璃介质、激光塑料介质或激光陶瓷介质。

8.根据权利要求1所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述液相冷却工质为液态水或液态氟利昂。

9.根据权利要求8所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述装置还包括：

收集器，用于收集所述液相冷却工质发生相变后的气相冷却工质。

10.根据权利要求9所述的用于固体激光增益介质的冷却装置，其特征在于，所述装置还包括：

冷凝器，与所述收集器和所述存储装置连接，用于将所述收集器收集的气相冷却工质冷凝为液相冷却工质，并输入至所述存储装置中。