CN110011168B - 一种转盘式固体激光器及其水冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转盘式固体激光器，包括依次成光路连接的泵浦源(80)、耦合系统(81)和增益介质(10)，所述泵浦源(80)的泵浦光射入该增益介质(10)边缘的增益区域(104)内，且所述增益介质(10)绕该增益区域(104)的中心旋转，同时保持增益介质(10)的方向不变；水冷机构(101)，所述增益介质(10)的侧面密封于该水冷机构(101)中，并与水冷机构(101)中的冷却液体直接接触，以带走增益介质(10)中的热量。本发明还公开该激光器的水冷方法。本发明的固体激光器，水冷圆盘取代一般端面泵浦激光器的固定增益介质，大大提高注入泵浦功率，同时避免固体激光器的热效应瓶颈，大大提高激光器输出功率以及激光放大器的放大倍率。

Description

一种转盘式固体激光器及其水冷方法

技术领域

本发明属于固体激光技术领域，更具体地，涉及一种转盘式固体激光器及其水冷方法。

背景技术

固体激光器根据固体增益介质的形状分为光纤、圆棒、板条、碟片、微片等类型，这些不同类型激光器具有不同的冷却结构。对于固体激光器而言，泵浦光在为增益介质带来能量的同时也为增益介质带来了废热，如何对固体激光器进行冷却成为了固体激光器领域亟待解决的问题。

为了解决固体激光器的冷却问题，有学者提出了增益介质旋转固体激光器，其特点是该类固体激光器中的固体激光增益介质在工作时是处于不断旋转的状态。该类固体激光器的增益介质一般是圆盘形状，固体激光器的泵浦光照射圆盘平面靠边缘的部分，泵浦光只对增益介质圆盘的边缘特定部位的小区域泵浦和加热。由于增益介质圆盘不断地旋转，被泵浦光加热部分还没有加热到温度很高之前，该部位就离开了泵浦区域，新进入泵浦区的增益介质经过较长时间冷却后温度较低，并且没有形成温度差，因此增益介质中的热效应影响很小。

增益介质旋转固体激光器采用旋转增益介质的方法实现冷却，其核心思想是利用增益介质的旋转，将被加热的增益介质移出泵浦区域，在泵浦区域之外冷却。在泵浦区域中处于激发状态时，增益介质中不存在冷却带来的温差，处于激光器中增益区的增益介质没有明显的热效应，固体激光介质的废热通过与之紧密固定的水冷机构带走，此外，由于泵浦区和冷却区被分开，也可以大大提高系统设计的便利，可以无限制地放大激光功率和能量。但固体增益介质旋转，则水冷机构也必须跟随一起同步旋转，势必造成水冷机构的进出入水管一起旋转运动，进出水管极易发生缠绕，难以实现对固体增益介质的有效冷却。因此，旋转增益介质固体激光器的技术瓶颈是旋转起来的固体增益介质很难实现水冷。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种转盘式固体激光器及其水冷方法，其目的在于，通过转盘式水冷机构，增益介质绕着增益区域中心旋转运动，其边缘的不同部位不断“旋”进增益泵浦区域，但整个水冷机构的方向不发生改变，保证了水冷机构的进出水管不需要跟随旋转，实现了增益介质旋转固体激光器的水冷，大大提高注入泵浦功率，同时避免固体激光器的热效应瓶颈，大大提高激光器输出功率以及激光放大器的放大倍率。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种转盘式固体激光器模块，包括依次成光路连接的泵浦源和耦合系统，该固体激光器模块还包括：

增益介质，所述泵浦源的泵浦光射入该增益介质边缘的增益区域内，且所述增益介质绕该增益区域的中心旋转，同时保持增益介质的方向不变；

水冷机构，所述增益介质的侧面密封于该水冷机构中，并与水冷机构中的冷却液体直接接触，以带走增益介质中的热量。

进一步地，所述水冷机构包括两维直线平移台，该两维直线运动平台包括水平方向运动导轨和竖直方向运动导轨，水平方向运动导轨和竖直方向运动导轨分别通过电机独立驱动，所述增益介质设于该两维直线运动平台上，且可围绕所述增益区域为旋转中心作平移的圆周运动，并保持自身方向不变。

进一步地，所述水冷机构包括绕所述增益区域旋转的旋转机构，所述增益介质偏心安装于该旋转机构上；

所述旋转机构与增益介质之间设有可自由旋转的轴承，该轴承内设有轴承内环。

进一步地，所述水冷机构包括与所述轴承内环连接的连杆，以及与该连杆接触连接的限位装置。

进一步地，所述限位装置包括两对称设置的固定单元及设于该固定单元之间的伸缩单元，伸缩单元压迫连杆，以保持限位装置始终与所述轴承内环侧面的连杆保持紧密接触。

进一步地，所述限位装置包括一维运动滑台，所述固定单元上设有套板，并通过该套板与一维运动滑台滑动连接。

进一步地，所述水冷机构包括两维直线导轨平台，所述增益介质设于该两维直线导轨平台上。

进一步地，所述两维直线导轨平台包括第一直线运动导轨和第一直线运动导轨，二者独立自由滑动。

进一步地，所述水冷机构包括进水管和出水管，且所述进水管和出水管不跟随所述水冷机构旋转。

进一步地，该固体激光器包括分色镜和输出镜，二者与所述增益介质共同构成激光谐振腔，作为激光振荡器。

进一步地，所述激光谐振腔内设有调Q器件，实现调Q运行。

进一步地，所述激光谐振腔内设有锁模器件，实现锁模运行。

进一步地，所述激光谐振腔内设有非线性晶体，实现非线性转换。

进一步地，该固体激光器为激光放大器。

按照本发明的另一个方面，提供一种转盘式固体激光器的水冷方法，应用所述的水冷机构进行冷却，包括如下步骤：

S1：水冷机构与增益介质同步绕增益区域的中心旋转，同时保持水冷机构和增益介质的方向不变；

S2：水冷机构通过进水管进水和出水管出水，并通过冷水机驱动带走增益介质中的热量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的固体激光器，直接水冷圆盘取代一般端面泵浦激光器的固定增益介质，可以大大提高注入泵浦功率和激光器输出功率，同时避免固体激光器的热效应瓶颈，本发明的水冷式圆盘增益介质可以直接取代一般端面是泵浦激光放大器，大大提高激光放大器的放大倍率，大大提高注入泵浦功率，同时避免固体激光器的热效应瓶颈，大大提高激光器输出功率以及激光放大器的放大倍率。

2.本发明的固体激光器，增益介质绕着增益区域中心旋转运动，其边缘的不同部位不断“旋”进增益泵浦区域，但整个水冷机构的方向不发生改变，保证了水冷机构的进出水管不需要跟随旋转，实现了增益介质旋转固体激光器的水冷。

3.本发明的固体激光器，增益介质的中心沿着增益区域中心的圆周运动轨迹运动，但增益介质自身的方向保持不变，即其自身并没有“旋转”，从而保证了进水管和出水管不需要跟随旋转，解决了固体激光器水冷中管路缠绕等问题。

4.本发明的固体激光器，将增益介质置于一个两维直线平移台上，通过两维直线平移台的两维联合运动，控制两维运动的速度变化，增益介质可以围绕其增益区域为旋转中心作平移的圆周运动，并保持自身方向不变。

5.本发明的固体激光器，增益介质圆盘或圆环直接接触热沉或通过密封直接接触冷却液，冷却液通过软管流进和流出与增益介质接触的水冷机构，软管应能够保证增益介质在一定范围内自由运动。

6.本发明的固体激光器，如果通过热沉冷却，增益介质与热沉需要良好接触，如果直接用冷却液对增益介质冷却，需要良好密封，冷却机构与增益介质之间良好固定。

7.本发明的固体激光器，泵浦源经耦合系统并透过分色镜入射增益介质边缘，入射点为空间中的增益区域，由于增益介质实现水冷“准旋转”的运动，增益介质中的增益环区域的不同点连续且周期性地与增益区域重合以吸收泵浦光而受激发，并在分色镜和输出镜组成的谐振腔的作用下输出激光。

8.本发明的固体激光器的水冷方法，增益介质侧面密封于水冷机构中，并与水冷机构中的水直接接触，水冷机构通过水管进水和出水，并通过冷水机驱动带走增益介质中的热量，以实现固体激光器的水冷。

附图说明

图1为本发明实施例一种转盘式固体激光器结构示意图；

图2为本发明实施例的水冷机构A点旋转至增益区域位置示意图；

图3为本发明实施例的水冷机构B点旋转至增益区域位置示意图；

图4为本发明实施例的水冷机构B点旋转至增益区域位置示意图；

图5为本发明实施例的水冷机构B点旋转至增益区域位置示意图；

图6～图9为本发明实施例的两维直线运动式水冷机构旋转至增益区域位置示意图；

图10为本发明实施例的轴承运动式水冷机构结构示意图；

图11为图10中增加竖直和限位装置后的结构示意图；

图12为本发明实施例的两维直线自由滑动平台式水冷机构结构示意图；

图13为本发明实施例的反转式水冷机构结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：10-增益介质、21-水平方向运动导轨、22-竖直方向运动导轨、30-旋转机构、40-轴承、50-连杆、60-限位装置、70-两维直线导轨平台、71-第一直线运动导轨、72-第二直线运动导轨、80-泵浦源、81-耦合系统、90-分色镜、91-输出镜、101-水冷机构、102-进水管、103-出水管、104-增益区域、401-轴承内环、601-一维运动滑台、602-伸缩单元、603-固定单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种转盘式固体激光器，该激光器包括依次成光路连接的泵浦源80、耦合系统81、分色镜90、水冷机构101、增益介质10以及输出镜91。其中，增益介质10的侧面密封于水冷机构101中，并与水冷机构101中的水直接接触，水冷机构101通过进水管102进水和出水管103出水，并通过冷水机驱动带走增益介质10中的热量。增益介质10的中心沿着图中所示的圆周运动轨迹运动，但增益介质10自身的方向保持不变，即其自身并没有“旋转”，从而保证了进水管102和出水管103不需要跟随旋转，以此实现固体激光器的水冷。在固体激光器中，泵浦源80经耦合系统81并透过分色镜90入射增益介质10边缘，入射点为空间中的增益区域104；由于增益介质10实现水冷“准旋转”的运动，增益介质10中的增益环区域的不同点连续且周期性地与增益区域104重合以吸收泵浦光而受激发，并在分色镜90和输出镜91组成的谐振腔的作用下输出激光。

如图2～图5所示，本发明的基本原理为：增益介质10不断通过方向不变的“平移”运动，在增益介质10方向没有发生变化的情况下，将增益介质10的边缘的不同部位平移进泵浦区，从而实现不断用低温增益介质替代已被加热增益介质的目的。由于增益介质10的方向并没有改变，因此与之相连的水冷机构101方向也没有改变，进水管102和出水管103也就不需要旋转了。具体而言，泵浦光从增益介质10(或棒)端面入射，处于增益介质10边缘位置增益区域104处，增益介质10远大于中心处于增益区域104位置的激光泵浦增益区。增益介质10初始时处于图2所示位置1，增益介质10中心绕增益区域104点逆时针旋转，但保持方向不变，即图中用ABCD代表的介质增益介质10取向在旋转的过程中始终保持不变，这样就可以保证冷却水管不会缠绕。当增益介质10旋转到图3所示的位置2时，处于激光泵浦区的增益介质10区域也从A点变到了B点，这就保证了在当增益介质10中心旋转1/4周期的过程中，增益介质10边缘弧线AB连续不断进入增益区。当增益介质10从图3所示位置旋转到图4所示的位置时，处于激光泵浦区的增益介质10区域从B点变到C点，在这个1/4旋转周期过程增益介质10边缘弧线BC连续不断进入增益区。只要增益介质10中心不断绕增益区域104的中心旋转，同时保持增益介质10方向不变，则增益介质10边缘处的圆周ABCD连续进入泵浦增益区。

在本发明其中一个实施例中，提供一种两维直线运动式水冷机构，如图6～图9所示，其核心思想是将增益介质10置于一个两维直线平移台上。通过两维直线平移台的两维联合运动，控制两维运动的速度变化，增益介质10可以围绕其增益区域104为旋转中心作平移的圆周运动，并保持自身方向不变。具体而言，该两维直线运动平台包括水平方向运动导轨21和竖直方向运动导轨22，水平方向运动导轨21和竖直方向运动导轨22分别通过电机独立驱动，增益介质10直接固定在两维直线运动平台上，通过两维直线运动的配合，实现将增益介质10从图图6～图9的连续运动，由于两直线运动在任何情况下都不会改变增益介质10的方向，因此只要增益介质10中心围绕增益区域104点旋转，并保持自身方向不变，即可实现固体激光器的水冷。

在本发明另一个实施例中，提供一种轴承运动式水冷机构，如图10所示。该水冷机构包括一个绕增益区域104点旋转的旋转机构30，激光增益介质10偏心安装在这个旋转机构30上，从而使激光增益介质10进行一个偏心旋转运动，即驱动增益介质10绕偏离自身中心O点的增益区域104点旋转。同时，为了保证增益介质10自身方向保持不变，增益介质10不能被直接固定在旋转机构30上，增益介质10通过一个可以自由旋转的轴承40机构被固定在旋转机构上，这样当增益介质10中心绕增益区域104点偏心旋转时，增益介质10仍然可以保持方向不变。增益介质10通过一个轴承40置于一个旋转机构30中，旋转机构30带动增益介质10绕增益介质10的泵浦区中心增益区域104旋转。因为泵浦中心处于增益介质10的边缘，因此实际上增益介质10是围绕泵浦中心增益区域104偏心旋转。为了保证旋转过程中，增益介质10的方向保持不变，增益介质10通过一个可以灵活旋转的轴承40安装到所述的旋转机构上。这样当旋转机构30带动增益介质10偏心旋转的同时，增益介质10相对旋转机构30也可以自由旋转，这样就可以实现增益介质10在围绕增益区域104旋转的过程中方向不变。

具体而言，如图11所示，为了保持在旋转过程中增益介质10方向保持不变，将安装增益介质10的轴承内环401一边增加一个连杆50，该连杆50与一个限位装置60保持紧密接触。该限位装置60包括两对称设置的固定单元603及设于该固定单元603之间的伸缩单元602，通过伸缩单元602压迫连杆50，保持限位装置60始终与轴承内环侧面的连杆50保持紧密接触。此外，该限位装置60还包括一维运动滑台601，固定单元603上设有套板，固定单元603通过该套板与一维运动滑台601滑动连接，使该限位装置60仅可以沿一维运动滑台601方向自由运动，其位置紧随增益介质10位置变化而变，但限位装置60的方向保持不变，并且通过压迫增益介质10侧面连杆50而强迫增益介质10的侧面连杆50与限位装置60保持一致。由于增益介质10是通过轴承40安装在旋转机构30上的，当旋转机构30旋转时，增益介质10的方向是自由的，因此可以通过限位装置60的方向保证增益介质10的方向保持不会发生变化。在图11中，限位装置60通过一维运动滑台601可以自由的上下滑动，限制平台60后有弹簧将其推向左方始终与轴承侧面50紧密接触，这样当增益介质10在旋转机构30推动下旋转时，增益介质10的方向受到限位装置60的限制而始终保持不变。

在本发明的另一个实施例中，为了保持在旋转过程中增益介质10方向保持不变，也可以将增益介质10和轴承内环401固定在一个可以自由运动的两维直线导轨平台70上，如图12所示。增益介质10放置在两维直线导轨平台70上。具体而言，该两维直线导轨平台70包括第一直线运动导轨71、第一直线运动导轨72，二者可以独立自由滑动，增益介质10可以自由地作两维滑动平移。当旋转机构30带动增益介质10旋转时，增益介质10在两维自由滑动平台70上可以自由平行移动；但受到平台70直线运动的限制，增益介质10的方向受到限制，只能处于固定的方位，也即在两维滑动平台70的控制下，增益介质10中心的位置可以是自由的，仅方向受到了限制。旋转机构30和第一直线运动导轨71、第一直线运动导轨72的共同作用结果是增益介质10的中心可以在旋转机构30的驱动下自由运动，但同时增益介质10的方向受第一直线运动导轨71、第一直线运动导轨72的限制保持固定的方向。如图12所示，其中旋转机构30的旋转中心为增益区域104点，旋转驱动机构30在电机驱动下匀速旋转；其中的增益介质10可通过轴承机构40绕O点相对旋转机构30自由旋转，增益介质10固定在两维直线滑动平台70上，可以自由平移但不能改变方向；因此在两维直线滑动平台70的限制下，增益介质10位置不断变化但始终保持方向不变。在整个机构中，运动的驱动是通过旋转机构30完成的，两维直线自由滑动平台70的作用只是限制增益介质10的方向。在整个机构的共同作用下，增益介质10中心绕泵浦中心增益区域104旋转，增益介质10边缘泵浦区不断地旋进增益区域104点，达到将冷却后的增益介质10不断旋进泵浦区的目的。

在本发明的另一个实施例中，为了保持在旋转过程中增益介质10方向保持不变，还可以对增益介质10与旋转机构30之间相连接的轴承40进行直接驱动，使增益介质10与旋转机构30反向旋转，从而保持增益介质10方向始终不变，如图13所示。采用这种方法需要对旋转机构30和增益介质10的旋转同时控制，保证其反向旋转的角度保持一致。采用这个方式就可以省去图12中的两维自由运动平台70，但必须保持两个旋转速度同步。如图6所示，当通过电机驱动旋转机构30绕偏心增益区域104点逆时针旋转的同时，通过另一个电机驱动增益介质10绕圆盘中心O点顺时针旋转同样的角度，则可以保证增益介质10中心绕增益区域104点旋转的同时增益介质10方向始终保持不变。

优选地，增益介质10可以是任何固体激光介质，一般采用圆盘结构，可以是圆环结构。增益介质圆盘或圆环直接接触热沉或通过密封直接接触冷却液。冷却液通过软管流进和流出与增益介质接触的水冷机构。软管应能够保证增益介质在一定范围内自由运动。如果通过热沉冷却，增益介质与热沉需要良好接触，如果直接用冷却液对增益介质冷却，需要良好密封。冷却机构与增益介质之间良好固定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种转盘式固体激光器，包括依次成光路连接的泵浦源（80）和耦合系统（81），其特征在于，该固体激光器还包括：

增益介质（10），所述泵浦源（80）的泵浦光射入该增益介质（10）边缘的增益区域（104）内，且所述增益介质（10）绕该增益区域（104）的中心旋转，同时保持增益介质（10）的方向不变；

水冷机构（101），所述增益介质（10）的侧面密封于该水冷机构（101）中，并与水冷机构（101）中的冷却液体直接接触，以带走增益介质（10）中的热量；

所述水冷机构（101）包括两维直线平移台，该两维直线平移台包括水平方向运动导轨（21）和竖直方向运动导轨（22），水平方向运动导轨（21）和竖直方向运动导轨（22）分别通过电机独立驱动，所述增益介质（10）设于该两维直线运动平台上，且可围绕所述增益区域（104）为旋转中心作平移的圆周运动，并保持自身方向不变；

所述水冷机构（101）包括绕所述增益区域（104）旋转的旋转机构（30），所述增益介质（10）偏心安装于该旋转机构（30）上；

所述旋转机构（30）与增益介质（10）之间设有可自由旋转的轴承（40），该轴承（40）内设有轴承内环（401）。

2.根据权利要求1所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述水冷机构（101）包括与所述轴承内环（401）连接的连杆（50），以及与该连杆（50）接触连接的限位装置（60）。

3.根据权利要求2所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述限位装置（60）包括两对称设置的固定单元（603）及设于该固定单元（603）之间的伸缩单元（602），伸缩单元（602）压迫连杆（50），以保持限位装置（60）始终与所述轴承内环（401）侧面的连杆（50）保持紧密接触。

4.根据权利要求3所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述限位装置（60）包括一维运动滑台（601），所述固定单元（603）上设有套板，并通过该套板与一维运动滑台（601）滑动连接。

5.根据权利要求1所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述水冷机构（101）包括两维直线导轨平台（70），所述增益介质（10）设于该两维直线导轨平台（70）上。

6.根据权利要求5所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述两维直线导轨平台（70）包括第一直线运动导轨（71）和第二直线运动导轨（72），二者独立自由滑动。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述水冷机构（101）包括进水管（102）和出水管（103），且所述进水管（102）和出水管（103）不跟随所述水冷机构旋转。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，该固体激光器包括分色镜（90）和输出镜（91），二者与所述增益介质（10）共同构成激光谐振腔，作为激光振荡器。

9.根据权利要求8所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔内设有调Q器件，实现调Q运行。

10.根据权利要求8所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔内设有锁模器件，实现锁模运行。

11.根据权利要求8所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔内设有非线性晶体，实现非线性转换。

12.根据权利要求1-6中任一项所述的一种转盘式固体激光器，其特征在于，该固体激光器为激光放大器。

13.一种转盘式固体激光器的水冷方法，其特征在于，应用如权利要求1-12中任一项所述的水冷机构进行冷却，包括如下步骤：

S1：水冷机构（101）与增益介质（10）同步绕增益区域（104）的中心旋转，同时保持水冷机构（101）和增益介质（10）的方向不变；

S2：水冷机构（101）通过进水管（102）进水和出水管（103）出水，并通过冷水机驱动带走增益介质（10）中的热量。