CN110137788B - 一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固态激光技术领域，提供一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，包括激光二极管阵列、激光二极管热沉、聚光腔、增益介质冷却模块和增益介质。对增益介质冷却模块设计热密集区自增压导流槽，定向地将冷却液导流至增益介质的热密集区；同时对增益介质设计热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器，可增大换热面并减小增益介质的能量集中度。基于上述两个创新设计点的侧面泵浦激光头装置，可简易且有效的改善热分布不均匀的问题，提高换热率，优化光束质量，并降低热应力致损的风险。

Description

一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置

技术领域

本发明涉及固体激光领域，更具体地，涉及一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置。

背景技术

基于LD泵浦的全固态激光具有电光效率高、波长短、能流密度高、结构紧凑、寿命长、运转灵活、无污染等特点，可普遍应用于工业生产、国防建设、科学研究等众多领域，是未来几十年内将发展成为攻击术产业、国防建设重大的关键高新技术，将极大带动相关产业的发展。

对于棒状增益介质，LD泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种结构。端面泵浦的泵浦光束能与激光振荡模式相匹配，空间交叠程度高，有利于获得单模激光输出；但由于增益介质端面面积有限，难以从端面输入大功率泵浦光。侧面泵浦的泵浦光直接作用于增益介质侧面，受泵浦面积较大可以满足高功率泵浦，实现高功率激光输出。因此，侧面泵浦激光头技术是全固态激光器的核心技术之一，也是研制高功率、高光束质量激光的基础。

侧面泵浦作用过程中，未被增益介质吸收的泵浦光转化为废热，进而会影响激光的输出性能。由于LD阵列侧面多为对称泵浦，增益介质在光泵浦对应的局部区域内热积累严重，在晶体剖面上呈现“N叶草”式分布。传统的侧面泵浦模块利用单层透明石英玻璃管对冷却液进行引流，通过冷却液与棒状增益介质侧面对流接触进行热传导，从而带走多余的热量。在低功率运行下，这种冷却结构可以提供有效的热缓解。但当泵浦功率增加时，传统冷却液均匀冷却方式不能显著改善增益介质热分布不均的情况。这种不均匀的热分布会导致光束质量恶化，降低转换效率，增加由热应力造成晶体损伤的风险，影响系统的安全性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置。针对性的提高侧面泵浦激光器的散热效率，优化光束质量，降低增益介质内部的能量集中度，减小热应力致损的风险。

(二)发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，包括：激光二极管阵列、激光二极管热沉、聚光腔、增益介质冷却模块、增益介质。其特征在于，增益介质冷却模块开设热密集区自增压导流槽，增益介质表面开设热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器。激光二极管阵列、增益介质冷却模块的热密集区自增压导流槽对准增益介质表面开设的热效应自补偿抛面安装；聚光腔环绕增益介质冷却模块进行排布，其通光孔对准激光二极管阵列。

进一步地，增益介质表面的热效应自补偿抛面的截面形状为扇形或矩形曲面，增益介质直径D与扇形或矩形曲面的最低点到增益介质端面圆心的距离D1比值为2～2.67。

进一步地，增益介质表面的热效应自补偿抛面的纵向为直线或曲线；

进一步地，热效应自补偿抛面上具有能量集中度分散器，可以呈“锯齿”状、“半球”状，或呈“椭球”状分布，用于反射或透射由激光二极管入射到增益介质的泵浦光到其他方向，分散增益介质内部泵浦光能量的集中度，增益介质直径D与所述能量集中度分散器横截面最大尺寸D2与比值为10～100。

进一步地，针对N维阵列的侧面泵浦激光头，增益介质表面的热效应自补偿抛面的数量为n×N个。

进一步地，热效应自补偿抛面的截面面积正比于增益介质表面的热积累强度。

进一步地，增益介质冷却模块为双层套管结构，其外层套管与内层套管之间的中间夹层部分开设有热密集区自增压导流槽，内层套管在热密集区自增压导流槽的中心位置上开有水压式喷射孔，冷却液通过水压式喷射孔后其流向正对着增益介质的热效应自补偿抛面所在的位置。

进一步地，水压式喷射孔的两端均开口，入水端的口径与出水端的口径之比大于10：1，其腹部位置用于暂存积水，以增大出水端的水压。

进一步地，增益介质冷却模块的热密集区自增压导流槽在靠近出水口方向的端口被密封住，使冷却液在流出热密集区自增压导流槽时其流向被限定，即对准增益介质表面的热效应自补偿抛面进行喷射，形成湍流进而提高换热率。

(三)有益效果

本发明针对侧面泵浦激光头内部的增益介质冷却模块提出热密集区自增压导流槽设计，可将冷却液定向地导流至增益介质的热密集区，提高散热效率；同时针对增益介质提出热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器的设计，可增大换热面并减小增益介质的能量集中度。基于上述两个创新点，本发明提出的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置简易且有效地解决了传统侧面泵浦激光模块内增益介质热分布不均的问题，并降低热应力致损的风险、优化光束质量。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明第一实施方式的降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的增益介质冷却模块的剖面示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的增益介质表面结构示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置。

图中：10、激光二极管阵列；20、增益介质冷却模块；21、热密集区自增压导流槽；22、水压式喷射孔；30、增益介质；31、热效应自补偿抛面；32、能量集中度分散器；40、聚光腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是根据本发明第一实施方式的降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置；

如图1所示，该侧面泵浦激光头装置，包括：三向三列的激光二极管阵列10、激光二极管热沉、聚光腔40、增益介质冷却模块20、增益介质30。

三向三列的激光二极管阵列10固定在激光二极管热沉上，用于发射泵浦光，激励所述增益介质30；

可选地，激光二极管阵列10可以是三向多列的阵列，具体的激光二极管的列数依据增益介质30的长度以及所需要的最大泵浦功率来定；

在一个优选的实施例中，聚光腔40环绕在增益介质冷却模块20周围，开设有三列通光孔，通光孔对准着激光二极管阵列10，用于通过泵浦光，并反射未被增益介质30吸收的泵浦光到增益介质30表面进行再次吸收，提高泵浦吸收效率；

在一个优选的实施例中，增益介质冷却模块20的结构为双层套管，称为外层套管和内层套管，由石英材料制成。在外层套管与内层套管之间的中间夹层部分开设有对称分布的三个热密集区自增压导流槽21，在靠近出水口的方向上的热密集区自增压导流槽21槽口被密封住；内层套管在热密集区自增压导流槽21的中心位置开有一个水压式喷射孔22，以此限定侧面泵浦激光头内部的冷却液的流向，水压式喷射孔22的中线对准增益介质30的热效应自补偿抛面31，其入水端口径与出水端口径之比为10：1，腹部位置最大尺寸与出水端口径之比为15：1；

上述的侧面泵浦激光头装置还包括，增益介质30，用于吸收泵浦光，提供粒子数反转，增益介质30表面开设热效应自补偿抛面31和能量集中度分散器32；

可选地，热效应自补偿抛面31的截面为扇形，扇形的半径与增益介质30端面的半径相等，所对应的圆心角为50°，热效应自补偿抛面31可以是单条直线直接贯穿整个晶体的侧面，也可以是单条直线被分割成三条短的直线，沿着与激光二极管阵列10平行的方向排布。能量集中度分散器32分布在热效应自补偿抛面31上，呈“锯齿”状分布，端面直径与能量集中度分散器32的横截面最大尺寸的比值为20，用于反射入射到热密集区的泵浦光到其他方向，降低增益介质30热密集区的能量集中度。

图2是根据本发明第一实施方式的增益介质冷却模块20的剖面示意图；

如图2所示，该增益介质冷却模块20为双层套管结构，称为外层套管和内层套管，由石英材料制成。在外层套管与内层套管之间的中间夹层部分开设有均匀分布的三个环形热密集区自增压导流槽21，图2为其中的一个热密集区自增压导流槽21的剖面图，用于解释增益介质冷却模块20内部的冷却液的流向。冷却液由热密集区自增压导流槽21的开口端流入到侧面泵浦激光头装置内。热密集区自增压导流槽21的一端开口，另一端即靠近出水口的方向上的槽口被密封住，以防冷却液直接从中间夹层流出激光头；内层套管在热密集区自增压导流槽21的中心位置开有一个水压式喷射孔22，水压式喷射孔22的中线对准增益介质30的热效应自补偿抛面31，以此限定侧面泵浦激光头内部的冷却液的流向。其具体流向如图2中箭头指示方向：中间夹层的冷却液从水压式喷射孔22的入水端进入，由于出入水端的口径相差较大，大量的冷却液积聚在水压式喷射孔22的腹部位置，导致此处水压增大，出水端的冷却液直接可以正对着增益介质30的热效应自补偿抛面31所在位置进行喷射，针对性地多带走热密集区域的废热，提高对流换热率。

图3是根据本发明第二实施方式的增益介质表面结构示意图；在第二实施方式中，仅论述与第一实施方式的不同之处，对于相同之处，不再论述。

如图3所示，第二实施例提供的增益介质30仍然是针对三向的侧面泵浦激光头装置，相比于第一实施方案，增益介质30表面的热效应自补偿抛面31截面为矩形，且在增益介质30侧表面上，热效应自补偿抛面31呈“S”型曲线排布，共有3列“S”型的抛面均匀分布在增益介质30侧表面，且激光二极管阵列10正对着每列热效应自补偿抛面31的中心位置排布。当热效应自补偿抛面31的截面为矩形时，利用自身的槽壁便可多方向地反射泵浦光，达到分散能量集中度的目的，因此本实施例中增益介质30的热效应自补偿抛面31的表面不再需要处理成凹凸不平状。本实施例将热效应自补偿抛面31设置为“S”型可以增大冷却液流动时的阻力，进一步地提高换热率。

可选地，增益介质30直径与热效应自补偿抛面31的最低点到端面圆心的距离的比值为2.4。

图4是根据本发明第三实施方式的降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置；

如图4所示，第三实施例提供的侧面泵浦激光头装置，相比于第一、二实施方案，泵浦模块换成了五向五列，增益介质30表面的热效应自补偿抛面31是截面为矩形的“S”型抛面对，每个方向的激光二极管对应两列平行分布的“S”型热效应自补偿抛面对，增益介质30直径与热效应自补偿抛面31对的最低点到端面圆心的距离的比值为2.65；

激光二极管阵列10为五向五列，相比较第一、二实施方式，五向五列的侧面泵浦激光模块可提供的泵浦功率更高，泵浦的均匀性更高。五向五列的激光二极管阵列10固定在激光二极管热沉上；

聚光腔40开设有五列通光孔，通光孔对准激光二极管阵列10；

在一个优选的实施例中，增益介质冷却模块20的中间夹层开设有五个热密集区自增压导流槽21，每个热密集区自增压导流槽21的中心线对准增益介质30的热效应自补偿抛面31的中心位置；

在一个优选的实施例中，增益介质30表面热密集区开设热效应自补偿抛面31；

可选地，热效应自补偿抛面31是截面为矩形的“S”型抛面对，每个方向的激光二极管对应两列平行分布的“S”型热效应自补偿抛面对，共计五对，其深度为增益介质30端面半径的四分之一；

在增益介质30表面设置数量更多、槽孔更深的热效应自补偿抛面对可以更进一步地增大与冷却液的接触面，增大冷却液流动时的阻力，更加高效地提高对流换热率。

本发明针对侧面泵浦激光头内部的增益介质冷却模块20提出热密集区自增压导流槽21设计，可将冷却液定向地导流至增益介质30的热密集区，提高散热效率；同时针对增益介质30提出热效应自补偿抛面31以及能量集中度分散器32的设计，可增大换热面并减小增益介质30的能量集中度。基于上述两个创新点，本发明提出的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置简易且有效地解决了传统侧面泵浦激光模块内增益介质30热分布不均的问题，并降低热应力致损的风险、优化光束质量。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，包括：激光二极管阵列、激光二极管热沉、聚光腔、增益介质冷却模块、增益介质；其特征在于，所述增益介质冷却模块开设热密集区自增压导流槽，所述增益介质表面开设热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器；

所述激光二极管阵列用于发射泵浦光，激励所述增益介质；

所述激光二极管热沉的数量与所述激光二极管阵列的数量相同，用于固定所述激光二极管阵列；

所述聚光腔表面开有通光孔，围绕在所述增益介质冷却模块周围，用于通过激光二极管阵列发射的泵浦光并反射未被增益介质吸收的泵浦光到增益介质表面进行重复吸收；

所述增益介质冷却模块用于冷却所述增益介质，带走泵浦光未被所述增益介质利用而产生的废热；

所述增益介质用于吸收泵浦光，提供粒子数反转，所述热效应自补偿抛面的截面形状为扇形或矩形曲面，所述增益介质直径D与所述扇形或矩形曲面的最低点到所述增益介质的轴线的垂直距离D1比值为2～2.67；

所述热效应自补偿抛面的外表面具有所述能量集中度分散器，所述能量集中度分散器呈“锯齿”状、“半球”状或呈“椭球”状分布，用于反射或透射由所述激光二极管阵列入射到增益介质的泵浦光到其他方向，分散所述增益介质内部泵浦光能量的集中度，所述增益介质直径D与所述能量集中度分散器横截面最大尺寸D2的比值为10～100；

所述激光二极管阵列、所述热密集区自增压导流槽对准所述增益介质表面开设的热效应自补偿抛面安装。

2.根据权利要求1所述的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，其特征在于，所述增益介质表面的热效应自补偿抛面的纵向为直线或曲线。

3.根据权利要求1所述的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，其特征在于，针对N维阵列的侧面泵浦激光头，所述增益介质表面的热效应自补偿抛面的数量为n×N个。

4.根据权利要求1所述的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，其特征在于，所述热效应自补偿抛面的截面面积正比于所述增益介质表面的热积累强度。

5.根据权利要求1所述的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，其特征在于，所述增益介质冷却模块为双层套管结构，其外层套管与内层套管之间的中间夹层部分开设有所述热密集区自增压导流槽，所述内层套管在热密集区自增压导流槽的中心位置上开有水压式喷射孔，冷却液通过所述水压式喷射孔后其流向正对着所述增益介质的热效应自补偿抛面所在的位置。

6.根据权利要求5所述的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，其特征在于，所述水压式喷射孔的两端均开口，入水端的口径与出水端的口径之比大于10：1，其腹部位置用于暂存积水，以增大出水端的水压。

7.根据权利要求5所述的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置，其特征在于，所述增益介质冷却模块的热密集区自增压导流槽在靠近出水口方向的端口被密封住，使冷却液的流向在所述增益介质的热效应自补偿抛面附近被限制，形成湍流进而提高换热率。

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