CN109713556B - 一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置，在装置的激光光束传播方向同轴向顺次设置全反射镜、调Q单元、偏振片、泵浦模块和输出耦合镜；全反射镜和输出耦合镜组成谐振腔，且全反射镜为1064nm全反射镜；调Q单元为主动调Q晶体或带有反馈控制电路的退压式光电Q开关中的任意一种。本发明的一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置除了两面没有泵浦的面散热，两泵浦面通过镀金铜反射块也进行了交错散热，保证了双面泵浦激光晶体散热的均匀性，降低双面泵浦激光晶体的热透镜效应，有效改善激光装置的波前边缘畸变，激光装置采用TEC热电制冷器进行温度控制，有效降低了激光装置的重量。
Description
技术领域
本发明属于激光装置技术领域，具体涉及一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置。
背景技术
侧面泵浦板条激光器相较于圆棒激光器由于板条激光器的冷却面积大而被广泛应用，现有的板条激光器多采用“之”字形光路克服棒激光器的散热极限，但这种装置同时增大了荧光的光程，在增益条件下会有很强的ASE，导致激光板条透射波前边缘畸变过大。且现有的侧面泵浦激光器大多为水冷，体积过大，不利于应用于激光测距系统中；因此开发一种体积小、重量轻、散热效果好的激光装置势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置，解决了现有侧面泵浦激光器体积、重量大、散热效果差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置，在装置的激光光束传播方向同轴向顺次设置全反射镜、调Q单元、偏振片、泵浦模块和输出耦合镜；全反射镜和输出耦合镜组成谐振腔，且全反射镜为1064nm全反射镜；调Q单元为主动调Q晶体或带有反馈控制电路的退压式光电Q开关中的任意一种。
本发明的特点还在于，
泵浦模块包括激光晶体座，沿激光晶体座内设置有板条状激光晶体，激光晶体的两个对应的端面都间隔均匀贴有镀金铜反射块、前端面的镀金铜反射块与后端面的镀金铜反射块交错布置，在激光晶体座内还设置有偶数个LD阵列，各个LD阵列正对着激光晶体、在激光晶体两个对应的端面交错排列，各个LD阵列位于相邻镀金铜反射块形成的间隙之间；位于同一端面的各个LD阵列固定在一个阵列转接板上，阵列转接板固定在激光晶体座的前端面或后端面；每个阵列转接板置于Al热沉上，Al热沉和阵列转接板之间贴有TEC热电制冷器，TEC热电制冷器对阵列转接板进行温度控制；激光晶体的两端还设置有与激光晶体宽度相同的小孔光阑，激光晶体的上端面还设置有竖直朝上的若干个散热铜柱，散热铜柱另一端固定在激光晶体座内。散热铜柱即可以进行散热，同时也将激光晶体固定在了激光晶体座内。
LD阵列与镀金铜反射块数量相同，LD阵列不少于个。
激光晶体为半导体双面泵浦板条激光棒，可选择使用Nd:YAG、Nd:YAP晶体。
偏振片与光束传播方向成布儒斯特角。
调Q单元为主动调Q晶体时，主动调Q晶体选用LiNbO3或RTP不易潮解的晶体。
激光晶体、调Q晶体，布儒斯特片各通光端面均镀有1064nm增透膜。
镀金铜反射块是在铜块上镀了一层金。
本发明的有益效果是，本发明的一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置选用半导体双面泵浦板条激光棒，除了两面没有泵浦的面散热，两泵浦面通过镀金铜反射块也进行了交错散热，保证了激光晶体散热的均匀性，降低双面泵浦激光晶体的热透镜效应，有效改善激光器的波前边缘畸变，激光器采用TEC热电制冷器进行温度控制，有效降低了激光器的重量。
附图说明
图1是本发明一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置的结构示意图；
图2是本发明一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置的剖面图；
图3是本发明一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置的实施例光路示意图。
图中，1.全反射镜，2.调Q单元，3.偏振片，4.Al热沉，5.光阑，6.激光晶体座，7.激光晶体，8.镀金铜反射块，9.LD阵列，10.阵列转接板，12.输出耦合镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置结构如图1所示，在装置的激光光束传播方向同轴向顺次设置全反射镜1、调Q单元2、偏振片3、泵浦模块和输出耦合镜12；全反射镜1和输出耦合镜12组成谐振腔，且全反射镜1为1064nm全反射镜；调Q单元2为主动调Q晶体或带有反馈控制电路的退压式光电Q开关中的任意一种。
如图2所示，泵浦模块包括激光晶体座6，沿激光晶体座6内设置有板条状激光晶体7，激光晶体7的两个对应的端面都间隔均匀贴有镀金铜反射块8、前端面的镀金铜反射块与后端面的镀金铜反射块交错布置，在激光晶体座6内还设置有偶数个LD阵列9，各个LD阵列9正对着激光晶体7、在激光晶体7两个对应的端面交错排列，各个LD阵列9位于相邻镀金铜反射块8形成的间隙之间；位于同一端面的各个LD阵列9固定在一个阵列转接板10上，阵列转接板10固定在激光晶体座6的前端面或后端面；每个阵列转接板10置于Al热沉4上，Al热沉4和阵列转接板10之间贴有TEC热电制冷器，TEC热电制冷器对阵列转接板10进行温度控制；激光晶体7的两端还设置有与激光晶体7宽度相同的小孔光阑5，激光晶体7的上端面还设置有竖直朝上的若干个散热铜柱，散热铜柱另一端固定在激光晶体座内壁，散热铜柱即可以进行散热，同时也将激光晶体7固定在了激光晶体座内。
LD阵列9与镀金铜反射块8数量相同，LD阵列9不少于6个。
激光晶体7为半导体双面泵浦板条激光棒，可选择使用Nd:YAG、Nd:YAP晶体。
偏振片3与光束传播方向成布儒斯特角。
调Q单元2为主动调Q晶体时，主动调Q晶体选用LiNbO3或RTP不易潮解的晶体。
激光晶体、调Q晶体，布儒斯特片各通光端面均镀有1064nm增透膜，全反镜镀1064nm全反膜，输出镜镀1064nm部分透过膜。
其中，LD阵列即为泵浦源，是由多个半导体bar条组成。
由于Cu的散热效果好，所以选用散热铜柱直接接触激光晶体，大体积热沉选用Al热沉主要是因为Al的密度小，重量轻。
镀金铜反射块是在铜块上镀了一层金，镀金是为了反射未被吸收的泵浦光，使得泵浦光再次进入激光晶体，增加泵浦光的使用效率，即增加了泵浦效率。
激光晶体座6由Cu制成，利于散热。
下面结合实施例对本发明进行详细说明：以输出能量为90mJ激光器为例。
激光器光路如图3所示，双面泵浦激光晶体选用6mm×6mm×80mm，掺杂浓度为1.1at％的Nd:YAG晶体棒。总峰值功率为4.5kW的LD阵列由一个外部电源驱动，电源的重复频率为1-25Hz可调，脉冲宽度为250μs。泵浦模块由6个LD阵列构成，采用单温度点方式，温度点设定值：65℃，即在叠阵温度65℃时其发光中心波长为808nm±3nm。依据温漂系数0.28nm/℃，25℃测试叠阵发光中心波长为796.8nm。峰值功率要求在：阵列温度25℃，工作频率25Hz，放电脉宽：250μs，工作电流≤250A，时间不小于70s时，≥1500W；在阵列温度65℃，工作频率25Hz，放电脉宽：250μs，工作电流≤200A，时间不小于70s时≥900W。
谐振腔的腔长为220mm，双面泵浦激光晶体的通过面为6mm×6mm，估算谐振腔的损耗为0.05，计算可得输出耦合镜的最佳反射率为53.59％。为了增加激光器的使用寿命，我们选择略低于最佳反射率的反射率，即选择输出耦合镜的反射率为50％。选择一个TP(P光透过率)为99.52％，TS(s光透过率)为0.123％的布儒斯特片作为偏振片，通光口径为10mm，外径32mm。激光晶体、调Q晶体，布儒斯特片各通光端面均镀有1064nm增透膜，全反镜镀1064nm高反膜，输出耦合镜镀透过率为50％的1064nm部分反射膜。
激光晶体采用双面泵浦激光晶体，6个LD阵列在激光晶体两个端面交错排列，双面泵浦激光晶体在未泵浦位置(未泵浦位置指的是交错分布的相邻LD阵列之间的间隙)交错紧贴散热铜柱对双面泵浦激光晶体进行散热，从而降低激光器的波前边缘畸变，降低双面泵浦激光晶体的热透镜效应；本实施例采用退压式电光调Q，选择两端镀有1064nm增透膜、长度为20mm，通光口径为9mm的LN(铌酸锂晶体)作为电光Q开关元件。调试时选用自准直平行光管，保证各光学元件的平行性，从而保证激光光轴的一致性，提高谐振腔效率。
本发明不限于上述实施例，本发明的激光装置LD阵列和散热铜柱交错布置，大大减小了激光装置的体积。LD阵列的数量可以根据实际情况作出相应调整，能够满足不同功率激光装置的需求，除了未泵浦的面采用散热铜柱和铜结构的激光晶体座可以进行散热，两个泵浦面也采用交错布置的镀金铜反射块及Al热沉进行散热；这种四面散热的结构保证了双面泵浦激光晶体散热的均匀性，降低了双面泵浦激光晶体的热透镜效应，有效改善激光装置的波前边缘畸变。
其中，镀金铜反射块不仅可以起到散热作用，铜块上的镀金面还可以反射未被吸收的泵浦光，使得泵浦光再次进入激光晶体，增加泵浦光的使用效率，即增加了泵浦效率。而且，激光装置采用TEC热电制冷器进行温度控制，有效降低了激光装置的重量。
Claims (4)
1.一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置，其特征在于，在所述装置的激光光束传播方向同轴向顺次设置全反射镜(1)、调Q单元(2)、偏振片(3)、泵浦模块和输出耦合镜(12)；所述全反射镜(1)和所述输出耦合镜(12)组成谐振腔，且所述全反射镜(1)为1064nm全反射镜，所述输出耦合镜(12)镀透过率为50％的1064nm部分反射膜；所述调Q单元(2)为主动调Q晶体或带有反馈控制电路的退压式光电Q开关中的任意一种；
所述泵浦模块包括激光晶体座(6)，沿所述激光晶体座(6)内设置有板条状激光晶体(7)，所述激光晶体(7)的两个对应的端面都间隔均匀贴有镀金铜反射块(8)、前端面的镀金铜反射块与后端面的镀金铜反射块交错布置，在所述激光晶体座(6)内还设置有偶数个LD阵列(9)，各个所述LD阵列(9)正对着激光晶体(7)、在所述激光晶体(7)两个对应的端面交错排列，各个所述LD阵列(9)位于相邻镀金铜反射块(8)形成的间隙之间；位于同一端面的各个所述LD阵列(9)固定在一个阵列转接板(10)上，所述阵列转接板(10)固定在激光晶体座(6)的前端面或后端面；每个所述阵列转接板(10)置于Al热沉(4)上，所述Al热沉(4)和阵列转接板(10)之间贴有TEC热电制冷器，所述TEC热电制冷器对阵列转接板(10)进行温度控制；所述激光晶体(7)的两端还设置有与激光晶体(7)宽度相同的小孔光阑(5)，所述激光晶体(7)的上端面还均匀设置有若干个竖直朝上的散热铜柱，散热铜柱另一端固定在激光晶体座(6)内。
2.根据权利要求1所述的一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置，其特征在于，所述LD阵列(9)与镀金铜反射块(8)数量相同，所述LD阵列(9)不少于6个。
3.根据权利要求1所述的一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置，其特征在于，所述激光晶体(7)选择使用Nd:YAG晶体或Nd:YAP晶体。
4.根据权利要求1所述的一种大功率小型无水冷侧泵板条激光装置，其特征在于，所述镀金铜反射块(8)是在铜块上镀了一层金。
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