CN111129919B - 一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器 - Google Patents

一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器。其中，高功率固体激光增益模块包括板条激光增益介质、板条主动热沉、低温漂半导体激光泵浦源和泵浦源主动热沉。该装置利用液态金属的高导热性、可实现同等流速下比水更高的层流换热能力；配合低温漂半导体激光泵浦源构成半导体激光阵列实现运转过程中的波长漂移抑制，保证出光过程中增益介质对泵浦激光良好的吸收波长匹配；与板条激光增益介质和低温漂半导体激光泵浦源直接焊接的填充有液态金属冷却工质的多通道层流换热主动热沉可实现对大高宽比板条激光增益介质与半导体激光阵列的实时高效均匀冷却，保证装置室温下的稳定运转，实现高功率高光束质量激光输出。

Description

一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器。
背景技术
固体板条激光器不仅具有高输出功率，而且具备高光束质量、电光效率高等优点，是目前高功率激光技术领域的主要发展方向。随着功率的提升,对增益介质热管理的要求也不断提高。
传统板条激光器中对增益介质的冷却技术一般会采用水冷微通道散热技术，这种技术中的冷却液一般为水，而水中容易含有离子，随着使用时间的增长，容易出现杂质，杂质过多容易对微通道的导电性造成影响，并且容易堵塞微通道，导致冷却液体无法快速流通，影响散热。因此，在使用这种技术对增益介质冷却时，为了减少产生杂质，需要对冷却液的纯度和导电性有着严格的要求。
为了解决现有的水冷微通道散热技术容易产生杂质，导致堵塞微通道的弊端，通常现有技术的冷却系统需要设置有过滤器和去离子装置，一方面，会导致冷却系统体积大，可维护性降低；另一方面，还需要定期清理过滤器中的杂质或定期更换过滤器和去离子装置。因此，这种冷却系统不适合长期的应用，更不适合应用到某些无人值守的特定场景中，例如卫星中设置有激光器，如采用现有的冷却系统为激光器的增益介质散热，则无法定期更换冷却系统中的过滤器和去离子装置，造成激光器使用的期限短。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器，使用液态金属冷却工质为激光增益介质散热，液态金属作为相变储热材料，具有发挥热容大、导热系数高、熔点低、挥发性低等显著优点，采用液态金属为激光增益介质散热，相比于现有的冷却液散热，能够降低系统对温控的严格要求，而且液态金属相比于现有的冷却液具有兼容性，不容易产生杂质，无需设置过滤器和去离子装置，使得冷却系统不需要定期更换工质或更换过滤器和去离子装置，能够延长激光器的使用寿命，并且能够应用到无人值守的场景。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种高功率固体激光增益模块，包括：板条激光增益介质、板条主动热沉、低温漂半导体激光泵浦源、泵浦源主动热沉；其中，所述板条激光增益介质,用于出射激光；板条主动热沉，设置在所述板条激光增益介质的表面，所述板条主动热沉内部设有第一宏通道；所述第一宏通道用于容纳第一液态金属冷却工质，以通过所述第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质散热；低温漂半导体激光泵浦源，用于将其射出的呈阵列排布(包括线阵和面阵)的激光阵列传输至所述板条激光增益介质中，为所述板条激光增益介质提供泵浦；所述泵浦源主动热沉，设置在所述低温漂半导体激光泵浦源的表面，所述泵浦源主动热沉内设有第二宏通道，所述第二宏通道用于容纳第二液态金属冷却工质，以通过所述第二液态金属冷却工质为所述低温漂半导体激光泵浦源散热。
进一步地，所述第一宏通道的个数为多个，多个所述第一宏通道为层级结构，每层至少设置有2个所述第一宏通道，同一层中相邻的所述第一宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第一宏通道的界面直径≥0.5mm；和/或所述第二宏通道的个数为多个，多个所述第二宏通道为层级结构，每层至少设置有2个所述第二宏通道，同一层中相邻的所述第二宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第二宏通道的界面直径≥0.5mm。
进一步地，所述板条主动热沉设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流入的第一端口；和/或所述板条主动热沉设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流出的第二端口；和/或所述泵浦源主动热沉设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流入的第三端口；和/或所述泵浦源主动热沉设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流出的第四端口。
进一步地，所述板条主动热沉包括第一驱动装置和第一换热装置；所述第一驱动装置，用于控制所述第一液态金属冷却工质的流速；所述第一换热装置，用于控制所述第一液态金属冷却工质的热量交换；和/或，所述泵浦源主动热沉，包括第二驱动装置和第二换热装置；所述第二驱动装置用于控制所述第二液态金属冷却工质的流速；所述第二换热装置，用于控制所述第二液态金属冷却工质的热量交换。
进一步地，所述低温漂半导体激光泵浦源，包括呈阵列排布的低温漂系数的LD(Laser Diode)单元，每个所述低温漂系数的LD单元的温漂系数优选为≤0.07nm/K；和/或,所述LD单元为垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)芯片或锁波长边发射半导体巴条(bar)。
进一步地，所述板条主动热沉焊接在所述板条激光增益介质的表面，可选的，所述板条主动热沉与所述板条激光增益介质之间采用金属铟焊料焊接；和/或
进一步地，每个所述第一宏通道的内壁经过表面氧化或氮化处理；和/或每个所述第二宏通道的内壁经过表面氧化处理或氮化处理。
进一步地，所述第一液态金属冷却工质为室温液态金属Ga、In、Sn单质中的一种或至少两种形成的合金；和/或所述第二液态金属冷却工质为室温液态金属Ga、In、Sn单质中的一种或至少两种形成的合金。
进一步地，所述泵浦源主动热沉焊接在所述低温漂半导体激光泵浦源的表面；每个所述LD单元的表面相对设置有一个所述第二宏通道，多个所述第二宏通道形成一个整体，优选的，多个所述第二宏通道采用焊接或O圈密封形式一个整体。
进一步地，所述泵浦源主动热沉和所述低温漂半导体激光泵浦源之间还设置有绝缘层。
进一步地，所述绝缘层为BeO、AlN或人造金刚石diamond中的一种。
进一步地，还包括：泵浦源整形耦合模块，用于对所述低温漂半导体激光泵浦源射出的激光光束进行整形，以减少光束的快轴和慢轴方向的发散角，进而提升泵浦亮度，使得所述激光光束耦合传输至所述板条激光增益介质中。
本发明的第二方面，还提供了一种激光振荡器，包括上述第一方面提供的高功率固体激光增益模块。
本发明的第三方面，还提供了一种激光放大器，包括上述第一方面提供的高功率固体激光增益模块。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明实施方式提供的高功率固体激光增益模块，设置有板条主动热沉，利用板条主动热沉中的第一宏通道中的第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质散热，相比于现有技术，第一方面，本发明实施提供的增益模块，无需定期更换冷却液，也无需定期更换或清洗过滤器和去离子装置，使得冷却系统的结构简单体积变小，便于安装使用及维护。第二方面，由于采用第一液态金属冷却工质，液态金属冷却工质具有导热系数高、熔点低、挥发性低等显著优点，在真空和低温环境中具有很大的应用优势，发挥热容大、热导率高的优势，能够显著降低系统对温控的严苛要求，相比于冷却液冷却技术，换热的效果更好。第三方面，采用液态金属冷却工质进行散热，微通道内不容易杂质，使得增益模块的使用寿命增长，且能够适用于无人值守的场景，适用范围更广泛。
(2)本发明实施方式提供的高功率固体激光增益模块，设置低温漂半导体激光泵浦源，通过第二液态金属冷却工质为低温漂半导体激光泵浦源散热，能够在保证泵浦光高效换热的同时，克服温漂带来的波长漂移而无法对增益介质进行有效泵浦的困难，从而能够实现全液态金属冷却的板条激光增益装置。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的高功率固体激光增益模块结构示意图；
图2是本发明第一实施方式的板条主动热沉的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的面发射激光器VCSEL芯片的结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的VCSEL芯片阵列与泵浦源主动热沉的结构示意图；
图5是本发明一实施例提供的VCSEL芯片阵列与泵浦源主动热沉的截面图；
图6是本发明一实施例提供的VCSEL芯片阵列与泵浦源主动热沉的立体图；
图7是本发明一实施例提供的泵浦源主动热沉内宏通道的单层结构示意图；
图8是本发明第二实施方式提供的一种激光振荡器的结构示意图；
图9是本发明第二实施方式提供的一种激光振荡器的结构示意图。
附图标记：
1：板条激光增益介质；2：板条主动热沉:2-1：第一驱动装置；3：低温漂半导体激光泵浦源；3-1：P电极；3-2：P型DBR；3-3：氧化层；3-4：有源区；3-5：N型DBR；3-6：N电极；4：泵浦源主动热沉；4-1：第二驱动装置；5：泵浦源整形耦合模块；6：焊接层；7：绝缘层。
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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
首先，先介绍一下液态金属。
液态金属具有高导热特性，常见液态金属的热导率一般为10～40W/(m·K)，现有技术的水冷却液的热导率为0.059W/(m·K)，比于水冷却液高出近2个数量级，而且液态金属流动性与水相当，这赋予了液态金属比水更好的对流冷却性能。
液态金属与水热物理属性比较可见下表1，采用液态金属取代现有技术的水冷却液作为冷却工质，打破了传统冷却技术的能力极限，同时也为其他能源领域的热量捕获与传输提供了新的思路。
表1液态金属Ga68In20Sn12和水的热物理属性
Figure BDA0002322779430000061
a20℃.测量值，即上表中的数据是在20℃的室温下测量得到的。
液态金属作为相变储热材料，发挥热容大、导热系数高、熔点低、挥发性低等显著优点，进行取、传热一体化设计，降低系统对温控的严苛要求，且在可维护性方面相对水具有优势。但是，将液态金属冷却方案应用于高功率固体板条激光器或放大器中的激光增益模块，对本领域的技术人员来讲，是非常困难的，主要是由于存在以下几个难以解决的问题：
(1)在激光技术领域，LD单元与冷却装置需要进行绝缘，否则容易造成LD单元无法出射激光，虽然现有技术也有人在LD单元与热沉的宏通道结构之间增设绝缘层，解决了LD单元的绝缘问题。但是，由于其结构只能采用放射状热沉，因此，这种技术仅仅能够应用在单个半导体Bar条的散热上，不利于二维的扩展，导致其无法设置呈面阵的半导体Bar条的散热上，所以其无法应用到高功率面阵激光的输出。
(2)液态金属还存在密度大带来的驱动困难，不容易被直接应用于高功率固体激光领域。
(3)对于激光增益模块而言，泵浦源工作时的波长变化要尽可能小，不超出增益介质吸收峰，否则容易导致泵浦效率低，难以保证泵浦效率。但由于液态金属自身作为良导体，液态金属冷却工质与热沉间若设置绝缘层，又会带来高热阻，再加上液态金属的热容相对较小，尽管可通过热沉的优化设计保证LD正常出光，但无法实现对LD发射波长，结温的控制。传统LD巴条的温漂特性为0.3nm/K，一般从初始状态到满功率运转的温升会超过10度，而在如此大的温升下，会直接导致传统LD巴条的输出波长移出增益介质吸收峰波动，如果随温度变化泵浦源发射峰漂到增益介质吸收峰边上或者出去，将造成不出光，或功率极低。
如果能够将液态金属冷却工质应用到高功率固体激光领域，将会大大降低高功率固体激光增益模块的热管理难度，但是，正是由于存在以上的问题，导致现有技术很少有人采用液态金属冷却方案直接应用于激光增益模块中的泵浦源散热。
图1是根据本发明第一实施方式的高功率固体激光增益模块结构示意图。
如图1所示，该高功率固体激光增益模块包括：板条激光增益介质1、板条主动热沉2、低温漂半导体激光泵浦源3和泵浦源主动热沉4。其中，
板条激光增益介质1,用于出射激光。
优选的，板条激光增益介质1为宽高比大于8:1的长方体型激光增益晶体材料。其中，板条激光增益介质的长度可以不限。
本实施例中，从双大底面对板条激光增益介质1进行冷却，相比传统的柱状和块状的增益介质，能够很好的解决热效应问题，提高激光功率和光束质量。板条宽高比大于8:1，使得激光增益模块的功率很高，且双大底面冷却能够很好的保证散热，减小热应力和热畸变，保证较好的光束质量。
在一个具体的实施例中，板条激光增益介质1中的增益介质可以为Yb:YAG晶体、Yb:YAG透明陶瓷、或者为稀土离子掺杂的晶体或透明陶瓷材料，其中稀土离子掺杂的晶体可以是Nd3+、Tm3+、Er3+、Ho3+或Ti3+掺杂的晶体。
在一个实施例中，板条激光增益介质1的两端采用无离子掺杂材料分段键合的结构，能够降低端面效应的影响。本发明实施例采用双端进行无离子掺杂晶体的键合，中间部分能够较好地通过上下大底面进行热管理，两端没有泵浦光吸收产生热，降低断面热效应引起的热应力和光束畸变。
板条主动热沉2，设置在板条激光增益介质1的表面，板条主动热沉2内部设有第一宏通道。第一宏通道用于容纳第一液态金属冷却工质，以通过第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质1散热。
在一个优选的实施例中，第一宏通道的个数为多个，多个第一宏通道为层级结构。板条主动热沉2内的第一宏通道采用多层级的结构设置，能够实现层流换热，利用液态金属工质的特殊流动性，达到同等流速下相对水更优的层流换热能力保证高宽高比晶体板条大面和半导体激光面发射面阵列均匀热传导、且同时实现最小压降和最小热阻，从而可以进行更佳的热管理，解决了现有技术中液态金属工质由于密度大导致的驱动困难、而且通过设置同一层中相邻的第一宏通道之间的间隔大于或等于0.5mm，进一步使得热阻最优化，尽量的减小热阻增加的问题，能够实现更高平均功率输出，本发明第一实施方式提供的高功率固体激光增益模块能够使得激光器实现数百瓦至数千瓦的输出功率。
可选的，多个第一宏通道可以是单层、双层或者多层结构。优选为双层结构。
每层至少设置有2个第一宏通道，同一层中相邻的第一宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第一宏通道的界面直径≥0.5mm。
优选的，同一层中相邻的第一宏通道之间的间隔的范围是：1mm≥间隔≥0.5mm。
需要说明的是，若宏通道的界面直径小于0.5mm，则会造成加工难度很大，也不利于液态金属得流动驱动。宏通道的尺寸量级一般毫米量级。太大会导致宏通道的个数少，也不利于均匀性。
图2是本发明第一实施方式的板条主动热沉的结构示意图。
在图2所示的例子中，该板条主动热沉2中设置有42个第一宏通道，这42个第一宏通道分成2层结构排布。
在一个实施例中，板条主动热沉2设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流入的第一端口。第一液态金属冷却工质通过该第一端口，进入到每个第一宏通道中，实现单端口进入板条主动热沉2，或者实现多端口进入板条主动热沉2中。
在一个实施例中，板条主动热沉2设置有一个或多个供第一液态金属冷却工质流出的第二端口。
可选的，第二端口可以设置有一个，全部的第一宏通道中的第一液态金属冷却工质在板条主动热沉2中汇合后，从该第二端口流出。
可选的，第二端口也可以设置有多个，例如2个、3个等等。当第二端口设置为3个时，全部第一宏通道中的第一液态金属冷却工质经过3个第二端口从板条主动热沉2中流出，实现多出口流出。
可以理解的是，在一些实施例中，还可以设置有控制装置和开关，用于控制第一端口开启或关闭，进而控制第一液态金属冷却工质的流动性。
可以理解的是，在一些实施例中，还可以设置有控制装置和开关，用于控制第二端口开启或关闭，进而控制第一液态金属冷却工质的流动性。
优选的，所述第一液态金属冷却工质为室温液态金属Ga、In、Sn单质中的一种或至少两种形成的合金。
在一个具体的实施例中，第一液态金属冷却工质为室温液态金属Ga基的合金，例如该第一液态金属冷却工质为液态金属Ga和In的合金或者为液态金属Ga与Sn的合金。
在一个实施例中，板条主动热沉2与板条激光增益介质1之间采用金属铟焊料焊接，例如，板条主动热沉2通过一个焊接层6焊接在所述板条激光增益介质1的表面。其中，焊接层6为金属铟材料，板条主动热沉2与所述板条激光增益介质1之间采用金属铟焊料进行大面积焊接，金属铟的导热性比较好，使板条激光增益介质1到板条主动热沉2实现最佳热传导。
在一个优选的实施例中，板条主动热沉2的数量为2个，分别焊接在板条激光增益介质1的上底面和下底面上，实现对大尺寸板条激光增益介质1的高效、均匀热管理，在此基础上，采用端泵或侧面泵浦耦合结构来规避液态金属不透光造成泵浦效率低的困难，从而使得本发明第一实施方式的高功率固体激光增益模块应用于激光振荡器和激光放大器时，实现固体板条激光增益装置的高功率、高光束质量激光输出。
可选的，板条激光增益介质为板状的条状。具体的，其正面和背面为长方形条状，左侧面和右侧面为长方形或者平行四边形，上表面和下表面为“大底面”，形状为长方形状。
在一个实施例中，板条主动热沉2包括相互连接的第一驱动装置2-1和第一换热装置2-2；其中，第一驱动装置2-1，用于控制第一液态金属冷却工质的流速；第一换热装置2-2，用于控制所述第一液态金属冷却工质的热量交换。
例如，该第一换热装置2-2将从板条主动热沉2中流出的第一液态金属冷却工质换热，然后第一驱动装置将换热后的第一液态金属冷却工质以预设的流速输送至板条主动热沉2中。
可选的，板条主动热沉2还包括电磁流量计，该电磁流量计设置在第一驱动装置与板条主动热沉2的供第一液态金属冷却工质流入的入口之间，该电磁流量计用于检测流入到第一液态金属冷却工质的流速。
需要说明的是，图1中板条主动热沉2与第一换热装置2-2、第一换热装置2-2与第一驱动装置2-1之间的箭头表示第一液态金属冷却工质的流动方向。
具体地，第一驱动装置2-1包括用于存储第一液态金属冷却工质的储液罐、与储液罐连通的驱动泵和与驱动泵连接的驱动泵电源。其中，驱动泵可采用电磁泵、机械泵或者二者组合的方式。
第一换热装置包括外界的热交换器和温度监测器。其中，热交换器可以是实现风冷、辐射的热交换器，或者是压缩机，采用压缩机进行制冷。
其中，温度检测器实时监测热交换后的流体温度，以保证热交换后的流体通过热交换器得到散热，能够再次进入主动热沉进行新一轮热交换。热交换器要保证液态金属流体进入新一轮热交换前能够将吸收的热量传导出去，以保证进入热沉之后的热传导效果。
在上述实施例中，通过板条主动热沉2中的第一换热装置2-2、第一驱动装置2-1实现液态金属的换热和驱动机，解决了现有技术中由于液态金属存在密度大的驱动的困难。
在一个实施例中，每个第一宏通道的内壁经过表面氧化或氮化处理，以使得每个第一宏通道的内壁绝缘，进而保证液态金属与热沉材料无化学反应，可长期稳定运转。由于液态金属具有金属特性导电性，因此管道内壁进行绝缘处理能够降低导电性。
在上述本发明第一实施方式中，液态金属冷却工质处于第一宏通道、第一驱动装置和第一换热装置及相关管道内，无需定期更换，无需长期维护，能够适用于无人值守的应用场景。
需要说明的是，本发明实施方式中，给泵浦源和板条激光增益介质都配了液态金属驱动和散热装置，使每个热沉都成为主动热沉。在热沉内部通道结构上设计有多层多组通道，能够最大限度减小热阻。
本发明第一实施方式的低温漂半导体激光泵浦源3，用于将其射出的呈面阵排布的激光阵列从板条激光增益介质1的端面或侧面输入，为所述板条激光增益介质1提供泵浦。
具体地，设置低温漂半导体激光泵浦源3发出的泵浦激光从板条激光增益介质的侧面或端面输入，使得板条激光增益介质1产生的激光在板条激光增益介质内部以“之”字型光路传输，从端面出射，进而使得板条激光增益介质1对激光增益，提高输出激光的功率。
在一个实施例中，低温漂半导体激光泵浦源3由呈阵列排布的低温漂系数的LD单元构成。
优选的，每个低温漂系数的LD单元的温漂系数≤0.07nm/K。采用温漂系数低于0.07nm/K的LD单元，能够克服温漂带来的波长漂移无法对增益介质进行有效泵浦的困难，从而能够实现全液态金属冷却的板条激光增益装置。
在图1所示的实施方式中，低温漂半导体激光泵浦源3中的LD单元还包括微透镜，该微透镜设置在低温漂半导体激光泵浦源3靠近泵浦源整形耦合模块5的一面。
在一个实施例中,LD单元为激光器VCSEL芯片，则低温漂半导体激光泵浦源3由垂直腔面发射激光器VCSEL芯片(DBR)的阵列构成。
图3是本发明一实施例提供的面发射激光器VCSEL芯片的结构示意图。
如图3所示，面发射激光器VCSEL芯片由层至下层依次包括：P电极3-1、P型DBR、氧化层3-3、有源区3-4、N型DBR和N电极3-6，其中N电极的下表面通过焊接层6与绝缘层7焊接，其中焊接层6可以是铟焊接层。绝缘层7可以是BeO绝缘层。绝缘层7与泵浦源主动热沉4通过焊接层6焊接。
图4是本发明一实施例提供的VCSEL芯片阵列与泵浦源主动热沉的结构示意图。
如图4所示，该VCSEL芯片阵列为6*6的阵列，在图4的右侧的圆孔表示为金属冷却介质的入口，箭头表示为金属冷却介质的从右侧流入，从左侧流出，即左侧设置有一个或者多个供金属冷却介质流出的出口。其中，金属冷却介质设置有至少两个入口。在图4所示的实施例中，设置有3个金属冷却介质，但是可以选用其中的两个入口流入金属冷却介质。
图5是本发明一实施例提供的VCSEL芯片阵列与泵浦源主动热沉的截面图；图6是本发明一实施例提供的VCSEL芯片阵列与泵浦源主动热沉的立体图。
如图5和图6所示，VCSEL芯片阵列包括呈面阵分布的多个VCSEL芯片，每列芯片的下表面都设置有一个热沉，该热沉中设置有双层的宏通道，以通过双层的宏通道为该列的VCSEL芯片散热。
图7是本发明一实施例提供的泵浦源主动热沉内宏通道的单层结构示意图。
如图7所示，该热沉的右侧设置有两个供金属冷却工质流入的入液口，右侧设置有一个供金属冷却工质流出的出口。
在一个实施例中,LD单元为锁波长边发射半导体巴条bar，则低温漂半导体激光泵浦源3为多个锁波长边发射半导体巴条bar沿两个相互垂直的方向扩展形成的面阵结构。或者是，边发射半导体巴条(bar)多个LD一维叠阵之间通过大的主流道进行拓展，形成的面阵结构。
其中，泵浦源主动热沉4，设置在低温漂半导体激光泵浦源3的表面，泵浦源主动热沉4内设有第二宏通道，第二宏通道用于容纳第二液态金属冷却工质，以通过第二液态金属冷却工质为所述低温漂半导体激光泵浦源3散热。
在一个实施例中，第二宏通道的个数为多个，多个第二宏通道为层级结构。
需要说明的是，考虑液态金属工质的室温流动性，为保证大宽高比晶体板条和低温漂半导体激光泵浦源3的大面均匀高效热传导、最小压降和最小热阻，将多个第二宏通道设置为层级结构，通过层级结构的多个第二宏通道，实现多通道并行层流换热方式，与同等流速下的水相比具有更优的层流换热能力，可针对低温漂半导体激光泵浦源3的大底面进行均匀、高效的热交换，从而可实现更高的平均功率输出。
可选的，多个第二宏通道可以是单层、双层或者多层结构。优选为双层该结构。
每层至少设置有2个第二宏通道，同一层中相邻的第二宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个第二宏通道的界面直径≥0.5mm。每组第二宏通道平行排布于热沉的大底面，从而实现低热阻的LD叠阵热沉构型。
优选的，同一层中相邻的第一宏通道之间的间隔的范围是：1mm≥间隔≥0.5mm。
需要说明的是，若宏通道的界面直径小于0.5mm，则会造成加工难度很大，也不利于液态金属得流动驱动。宏通道的尺寸量级一般毫米量级。太大会导致宏通道的个数少，也不利于均匀性。
需要说明的是，对于LD泵浦源，热沉通道方向如果说属于xy平面内，而LD发射激光方向是垂直于这个面的。
在一个实施例中，泵浦源主动热沉4设置有一个或多个供第二液态金属冷却工质流入的第三端口。当第三端口设置为1个时，每个第二宏通道的第二液态金属冷却工质通过该第三端口，进入到每个第二宏通道中，实现单端口进入板条主动热沉2。当第三端口设置为多个时，第二液态金属冷却工质通过多个第三端口进入板条主动热沉2中。
在一个实施例中，泵浦源主动热沉4设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流出的第四端口。
可选的，第四端口可以设置有一个，全部的第二宏通道中的第二液态金属冷却工质在泵浦源主动热沉4中汇合后，从该第四端口流出。
可选的，第四端口也可以设置有多个，例如2个、3个等等。当第四端口设置为3个时，全部第二宏通道中的第二液态金属冷却工质经过3个第二端口从泵浦源主动热沉4中流出，实现多出口流出。
可以理解的是，在一些实施例中，还可以设置有控制装置和开关，用于控制第三端口开启或关闭，进而控制第二液态金属冷却工质的流动性。
可以理解的是，在一些实施例中，还可以设置有控制装置和开关，用于控制第四端口开启或关闭，进而控制第一液态金属冷却工质的流动性。
优选的，第二液态金属冷却工质为室温液态金属Ga、In、Sn单质中的一种或至少两种形成的合金。
在一个具体的实施例中，第二液态金属冷却工质为室温液态金属Ga基的合金，例如该第一液态金属冷却工质为液态金属Ga和In的合金或者为液态金属Ga与Sn的合金。
在一个实施例中，泵浦源主动热沉4焊接在所述低温漂半导体激光泵浦源3的表面。可选的，泵浦源主动热沉4与泵浦源3焊接的表面之间还有导热绝缘层7。
与每个所述LD单元的表面相对的位置处设置有一个第二宏通道，多个第二宏通道形成一个整体。
优选的，多个第二宏通道采用焊接或O圈密封形式一个整体。
在一个实施例中，泵浦源主动热沉4，包括第二驱动装置4-1和第二换热装置4-2；第二驱动装置4-1用于控制所述第二液态金属冷却工质的流速；第二换热装置4-2，用于控制所述第二液态金属冷却工质的热量交换。
例如，该第二换热装置4-2将从泵浦源主动热沉4中流出的第二液态金属冷却工质换热，然后第二驱动装置4-1将换热后的第二液态金属冷却工质以预设的流速输送至泵浦源主动热沉4的第二宏通道中。
可选的，泵浦源主动热沉4还包括电磁流量计，该电磁流量计设置在第二驱动装置与泵浦源主动热沉4的供第二液态金属冷却工质流入的入口之间，该电磁流量计用于检测流入到第二液态金属冷却工质的流速。
具体地，第二驱动装置4-1包括用于存储第一液态金属冷却工质的储液罐、与储液罐连通的驱动泵和与驱动泵连接的驱动泵电源。其中，驱动泵可采用电磁泵、机械泵或者二者组合的方式。
需要说明的是，图1中泵浦源主动热沉4与第二驱动装置4-1之间的箭头表示第二液态金属冷却工质的流动方向。
第二换热装置包括外界的热交换器和温度监测器。其中，热交换器可以是实现风冷、辐射的热交换器，或者是压缩机，采用压缩机进行制冷。
在一个实施例中，每个第二宏通道的内壁经过表面氧化或氮化处理，以保证液态金属与热沉材料无化学反应，可长期稳定运转。
在一个实施例中，泵浦源主动热沉4和低温漂半导体激光泵浦源3之间还设置有绝缘层7。
可选的，绝缘层7为高热导绝缘材料，例如BeO、AlN或人造金刚石diamond中的一种。
可选的，低温漂半导体激光泵浦源3设置有2个，相应的，每个低温漂半导体激光泵浦源3的表面分别焊接有1个泵浦源主动热沉4。每个低温漂半导体激光泵浦源3分别将其射出的呈面阵排布的激光阵列从板条激光增益介质1的端面或侧面输入，为板条激光增益介质1提供泵浦。
在一个优选的实施方式中，上述高功率固体激光增益模块还包括泵浦源整形耦合模块5。泵浦源整形耦合模块5用于对低温漂半导体激光泵浦源3射出的激光光束进行整形，以减少光束的快轴和慢轴方向的发散角，进而提升泵浦亮度，使得所述激光光束耦合传输至所述板条激光增益介质1中。
在一个具体地实施例中，泵浦源整形耦合模块5采用微透镜阵列、反射镜、石英波导或非球面柱面镜及其组合，通过端泵或侧泵的构型，将低温漂半导体激光泵浦源3输出的泵浦激光耦合进入板条激光增益介质1。板条激光增益介质1吸收泵浦光能量形成增益，并通过谐振腔或放大器的方式实现激光功率提取。
其中，微透镜阵列用于对输入其表面激光进行快轴、慢轴的准直。
需要说明的是，本发明上述实施方式提供的高功率固体激光增益模块的的工作模式可以为连续运转、或者为准连续运转、或者为1～10秒短时间出光的热容运转模式。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明实施方式提供的高功率固体激光增益模块，设置有板条主动热沉，利用板条主动热沉中的第一宏通道中的第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质散热，相比于现有技术，第一方面，本发明实施提供的增益模块，无需定期更换冷却液，也无需定期更换或清洗过滤器和去离子装置，使得冷却系统的结构简单体积变小，便于安装使用及维护。第二方面，由于采用第一液态金属冷却工质，液态金属冷却工质具有导热系数高、熔点低、挥发性低等显著优点，在真空和低温环境中具有很大的应用优势，发挥热容大、热导率高的优势，能够显著降低系统对温控的严苛要求，相比于冷却液冷却技术，换热的效果更好。第三方面，采用液态金属冷却工质进行散热，微通道内不容易产生杂质，使得增益模块的使用寿命增长，且能够适用于无人值守的场景，适用范围更广泛。
(2)本发明实施方式提供的高功率固体激光增益模块，设置低温漂半导体激光泵浦源，通过第二液态金属冷却工质为低温漂半导体激光泵浦源散热，能够在保证泵浦光高效换热的同时，克服温漂带来的波长漂移而无法对增益介质进行有效泵浦的困难，从而能够实现全液态金属冷却的板条激光增益装置。
图8是根据本发明第二实施方式提供的一种激光振荡器。
如图8所示，该一种激光振荡器包括上述第一方面提供的高功率固体激光增益模块，还包括输入腔镜和输出耦合镜，该输入腔镜与输出耦合镜形成激光谐振腔。
其中，第一方面提供的高功率固体激光增益模块中的板条激光增益介质1受低温漂半导体激光泵浦源3发射的泵浦光辐射发出激光，该激光传输至腔镜后反射至板条激光增益介质1中，经过板条激光增益介质1的增益后，传输至输出耦合镜，一部分激光经过输出耦合镜反射回板条激光增益介质1，另一部分激光作为激光放大器的输出激光输出。
需要说明的是，在图8所示的高功率固体激光增益模块的低温漂半导体激光泵浦源3用于将其发射的泵浦光传输至板条激光增益介质1，其位置可以根据需求选取，本发明并不以此为限。另外，图8所示的板条激光增益介质1的“正面”为平行四边形，当然还可以设置为长方形，本发明不以此为限。
本发明第二实施方式的激光振荡器的相关参数如下：
结构：振荡器结构
增益介质：尺寸为4x40x100mm的Nd：YAG平行四边形晶体板条
泵浦方式：光纤冷板+端泵FL LD:808nm CW–200W双端泵浦
泵浦光耦合方式：光纤耦合
输出激光波长：1064nm
输出激光功率：150W
可见，本发明第二实施方式的激光振荡器，输出的激光的功率较高，能够达到150W。
图9是根据本发明第三实施方式提供的一种激光振荡器。
如图9所示，该一种激光振荡器包括上述第一方面提供的高功率固体激光增益模块，还包括腔镜和输出耦合镜，该腔镜与输出耦合镜形成激光谐振腔。
其中，第一方面提供的高功率固体激光增益模块中的板条激光增益介质1受低温漂半导体激光泵浦源3发射的泵浦光辐射发出激光，该激光传输至腔镜后反射至板条激光增益介质1中，经过板条激光增益介质1的增益后，传输至输出耦合镜，一部分激光经过输出耦合镜反射回板条激光增益介质1，另一部分激光作为激光放大器的输出激光输出。
本发明第三实施方式的激光振荡器的相关参数如下：
结构：振荡器结构。
增益介质：尺寸为5x50x100mm的Yb:YAG梯形晶体板条。
泵浦方式：宏通道巴条+FAC+柱面镜+端泵，940nm QCW LD泵浦源，35bar stack x2–1500W/stack；4stacks；in total；6000W pump module；泵浦巴条如图4所示。
输出耦合镜透射率T＝30％
输出激光波长：1030nm；输出激光功率：>10kW
侧泵浦和端泵浦意味着相对更高的功率密度，常温运转时，要达到饱和增益，所需泵浦功率密度较高，约为10kW/cm2。优选的，本发明采用端泵耦合。
可见，本发明第三实施方式的激光振荡器，输出的激光的功率较高，能够大于10kW。
在另一个实施方式中，还提供了一种激光放大器，包括上述第一方面提供的高功率固体激光增益模块。
在一个具体的实施例中，激光放大器包括高功率固体激光增益模块，还包括种子源注入的输入镜。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种高功率固体激光增益模块，其特征在于，包括：
板条激光增益介质(1)、板条主动热沉(2)、低温漂半导体激光泵浦源(3)、泵浦源主动热沉(4)；其中，
所述板条激光增益介质(1),用于产生激光，为宽高比大于8:1的长方体型激光增益晶体材料；
所述板条主动热沉(2)，设置在所述板条激光增益介质(1)的表面，所述板条主动热沉(2)内部设有第一宏通道；所述第一宏通道用于容纳第一液态金属冷却工质，以通过所述第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质(1)散热；
所述第一宏通道的个数为多个，多个所述第一宏通道为层级结构，每层至少设置有2个所述第一宏通道，同一层中相邻的所述第一宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第一宏通道的界面直径≥0.5mm；
所述低温漂半导体激光泵浦源(3)，用于将其射出的呈阵列排布的激光光束从所述板条激光增益介质(1)的端面或侧面输入，为所述板条激光增益介质(1)提供泵浦；所述低温漂半导体激光泵浦源(3)，包括呈阵列排布的低温漂系数的LD单元，每个所述低温漂系数的LD单元的温漂系数小于或等于0.07nm/K，所述LD单元为垂直腔面发射激光器芯片或锁波长边发射半导体巴条；
所述泵浦源主动热沉(4)，设置在所述低温漂半导体激光泵浦源(3)的表面，所述泵浦源主动热沉(4)内设有第二宏通道，所述第二宏通道用于容纳第二液态金属冷却工质，以通过所述第二液态金属冷却工质为所述低温漂半导体激光泵浦源(3)散热；
所述第二宏通道的个数为多个，多个所述第二宏通道为层级结构，每层至少设置有2个所述第二宏通道，同一层中相邻的所述第二宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第二宏通道的界面直径≥0.5mm；
所述泵浦源主动热沉(4)和所述低温漂半导体激光泵浦源(3)之间还设置有导热绝缘层(7)，所述导热绝缘层(7)为BeO、AlN或人造金刚石diamond中的一种。
2.根据权利要求1所述的高功率固体激光增益模块，其特征在于，
所述板条主动热沉(2)设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流入的第一端口；和/或
所述板条主动热沉(2)设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流出的第二端口；和/或
所述泵浦源主动热沉(4)设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流入的第三端口；和/或
所述泵浦源主动热沉(4)设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流出的第四端口。
3.根据权利要求1或2所述的高功率固体激光增益模块，其特征在于，
所述板条主动热沉(2)包括第一驱动装置(2-1)和第一换热装置(2-2)；
所述第一驱动装置(2-1)，用于控制所述第一液态金属冷却工质的流速；
所述第一换热装置(2-2)，用于控制所述第一液态金属冷却工质的热量交换；和/或，
所述泵浦源主动热沉(4)，包括第二驱动装置(4-1)和第二换热装置(4-2)；
所述第二驱动装置(4-1)，用于控制所述第二液态金属冷却工质的流速；
所述第二换热装置(4-2)，用于控制所述第二液态金属冷却工质的热量交换。
4.根据权利要求1所述的高功率固体激光增益模块，其特征在于，
所述板条主动热沉(2)通过焊接层(6)焊接在所述板条激光增益介质(1)的表面，所述焊接层(6)采用金属铟焊料；和/或
每个所述第一宏通道的内壁经过表面氧化或氮化处理；和/或
每个所述第二宏通道的内壁经过表面氧化处理或氮化处理；和/或
所述第一液态金属冷却工质为室温液态金属Ga、In、Sn单质中的一种或至少两种形成的合金；和/或
所述第二液态金属冷却工质为室温液态金属Ga、In、Sn单质中的一种或至少两种形成的合金。
5.根据权利要求1所述的高功率固体激光增益模块，其特征在于，
所述泵浦源主动热沉(4)焊接在所述低温漂半导体激光泵浦源(3)的表面；
每个所述LD单元的表面相对设置有一个所述第二宏通道，多个所述第二宏通道形成一个整体，多个所述第二宏通道采用焊接或O圈密封形成一个整体。
6.根据权利要求1所述的高功率固体激光增益模块，其特征在于，还包括：
泵浦源整形耦合模块(5)，用于对所述低温漂半导体激光泵浦源(3)射出的激光光束进行整形，以减少光束的快轴和慢轴方向的发散角，进而提升泵浦亮度，使得所述激光光束耦合传输至所述板条激光增益介质(1)中。
7.一种激光振荡器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的高功率固体激光增益模块。
8.一种激光放大器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的高功率固体激光增益模块。
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