CN111403997A - 小型dpl脉冲激光器交错侧泵腔体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，包括前腔体和后腔体两部分，前、后腔体的中心位置均沿轴向z轴方向放置一个激光晶体，前腔体包括左右对称水平放置的两个热沉、上下对称垂直放置的两个散热槽和激光晶体，两个散热槽布置在两个热沉之间，激光晶体布置在热沉和散热槽所形成结构的中心位置，散热槽与激光晶体接触的表面为圆弧面，热沉上开设圆弧，圆弧中焊接二极管泵浦源阵列巴条，巴条布置在激光晶体外围；前腔体的散热槽和巴条分别与后腔体的散热槽和巴条在圆周的位置上旋转90度。本发明结构紧凑、体积小，泵浦均匀、无泵浦死角，散热均匀，前后腔体相互补偿，消除晶体应力，输出激光光学质量好、效率高。

Description

小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体
技术领域
本发明属于光学激光器技术领域，涉及一种小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体。
背景技术
随着全固态激光器向小型化高光束质量高峰值功率的技术发展，核心元器件---泵浦腔体的泵浦功率在有限的体积下也不断增加，其有效均匀的散热也要求增加，同时由于应用要求物理尺寸必须小型紧凑，泵浦腔内的热流密度也随之增加，导致激光晶体热畸变、热透镜加剧等热效应，从而使输出激光的效率和光学质量大大降低，严重限制了军用固体激光器的使用，所以，对包含激光晶体的泵浦腔体进行有效的热控制一直都是本专业关注的焦点。
就全固态DPL脉冲Nd：YAG固体激光器而言，泵浦腔体的热管理范围主要包括腔体结构设计、泵浦源(二极管阵列巴条)、激光工作物质(激光晶体)等的热管理，激光晶体的热管理问题主要体现在晶体在泵浦过程中的热效应问题：泵浦源通过泵浦腔体向激光晶体提供输出激光所需能量的同时，在晶体中产生过多的费热，为了持续工作，必须及时从晶体中消除这些费热，即减小晶体的“热效应”，这些热效应既降低了激光效率，又产生晶体畸变导致输出激光光学质量降低，极大的限制了应用，这些问题在要求高峰值功率高光学质量的小型化军用Nd：YAG固体激光器中，在技术上是一个极大的挑战。
一般的小型化热传导冷却脉冲固体Nd：YAG激光器的侧泵浦腔体技术有如下两种：一种是采用瓦片式的半圆周泵浦半圆周冷却的交错泵浦冷却激光晶体的方式，另一种是360度圆周泵浦与360圆周冷却晶体相互交替进行的；对于前一种瓦片式半圆交错泵浦方式，也是一种前后交错对称泵浦结构，但对于激光晶体而言，晶体前后承受的热应力是不均匀的，晶体内部受到的热应力在前后方向上综合作用的结果是使其横向应力增大，则晶体热畸变增大，从而导致输出激光光学质量降低，光斑形状变差；另一方面，在前腔体的泵浦与冷却的交接区，与后腔体的泵浦与冷却的交接区，在晶体的泵浦截面方向上是一致的，则没有达到相互补偿的作用，这也导致了泵浦在该区域的弱区，从而出现输出激光光斑的不均匀，光学质量下降。
对于后一种常规的360度圆周泵浦360度圆周冷却交替进行的侧泵浦方式，由于泵浦和冷却晶体不在晶体的同一轴向区域，导致晶体在轴向上形成冷-热-冷-热的非均匀受热，产生热应力会导致输出激光光学质量降低，同时，单位晶体长度的泵浦功率密度较大，也会导致晶体热应力较大，影响输出激光光学质量，这样限制了激光效率和光学质量的提高。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种体积小、输出激光光学质量高、峰值功率大、效率高、可靠性高、易操作的军用全固态DPL脉冲固体Nd:YAG激光器的交错测面泵浦腔体。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其包括前腔体和后腔体两部分，前、后腔体的中心位置均沿轴向z轴方向放置一个激光晶体4，后腔体的泵浦结构相对于前腔体泵浦结构关于z轴旋转90度；前腔体包括左右对称水平放置的两个热沉1、上下对称垂直放置的两个散热槽2和激光晶体4，两个散热槽2布置在两个热沉1之间，激光晶体4布置在热沉1和散热槽2所形成结构的中心位置，散热槽2与激光晶体4接触的表面为圆弧面，热沉1上开设有半径大于激光晶体4半径的圆弧，热沉1的圆弧中均匀焊接二极管泵浦源阵列巴条3，巴条3布置在激光晶体4外围；前腔体的散热槽2和巴条3分别与后腔体的散热槽和巴条在圆周的位置上旋转90度，即前腔体的散热槽位置对应后腔体的巴条位置，反之，前腔体的巴条位置对应后腔体的散热槽位置。
其中，所述巴条3通过铟或金锡焊在热沉1的圆弧中。
其中，所述散热槽2与晶体4接触的圆弧表面抛光镀金并与晶体4紧密接触，同时将晶体4紧密固定。
其中，所述散热槽2与热沉1之间用螺钉固定。
其中，所述前腔体和后腔体之间布置一个与激光晶体4同轴的偏振光90度旋光晶体5。
其中，所述前、后腔体的顶部布置TEC热电制冷器6，对两个腔体恒温控制，TEC热电制冷器6与腔体上表面紧密接触，前、后腔体均绝热的固定在DPL激光器内。
其中，所述DPL脉冲激光器激光为输出150mJ，重复频率5～20Hz，激光出射光斑直径6mm；则，设置激光晶体直径6mm，前、后腔体中激光晶体4的长度均为50mm。
其中，选取每条巴条输出100W，则共需要80条二极管巴条数，前、后腔体各分配40条巴条，每一条巴条长度12mm，则在泵浦腔轴向上，排列4组共48mm，满足50mm泵浦腔长的要求，每组10巴条在泵浦腔体圆周内从两个呈180度方向的均匀对称分布，则每一个方向是5条巴条组成一组阵列。
其中，所述巴条3的发光长度定义为巴条的发光表面到激光晶体表面的距离，散热槽2的冷却弧长为散热槽与圆柱形激光晶体4接触的弧长，对于直径6mm的激光晶体，设定散热槽的冷却弧长4mm，2个散热槽冷却弧长共8mm，再根据巴条的发射全角70度，晶体直径6mm，计算出巴条的发光长度为2mm，设巴条阵列的发光面到巴条安装面的高度3mm，则计算出热沉的圆周直径为16mm。
其中，所述前、后腔体长度50mm，腔体内各置一只直径6mm长50mm的激光晶体，腔体热沉上的圆周直径16mm，圆周上180度对称垂直放置两个散热槽和水平放置两组巴条阵列，每个散热槽的冷却弧长4mm，每组巴条阵列有5条巴条，每条巴条的最大发射功率100W，巴条的发光长度2mm，共80个巴条均匀分布在前后两个腔体内，总泵浦功率8000W，单位厘米长度上的泵浦峰值功率为：满功率1000W，按70％的使用额度为700W。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，具有以下优点：
(1)结构紧凑、体积小：本发明相对于常规的360度圆周泵浦360度圆周冷却交替进行的侧泵浦方式，在同样的泵浦功率下，腔体长度大大减小，使得腔体体积相应减小。
(2)泵浦均匀、无泵浦死角，散热均匀，前后腔体相互补偿，消除晶体应力：在前腔体热沉1的圆周泵浦截面上，泵浦源二极管阵列巴条3与散热槽2以90度交替均匀分布在热沉1的360度的圆周内，其中巴条3对晶体4以180度对称从左右两个水平方向进行均匀泵浦，同时，紧贴晶体4的散热槽2也以180度对称的垂直方向对晶体4进行均匀传导冷却；这样，在晶体的同一截面处，泵浦和冷却同时均匀的进行；同时，泵浦腔的后腔体巴条3和散热槽2的结构位置相对于前腔体旋转了90度，即前腔体的散热槽位置对应后腔体的巴条位置，反之，前腔体的巴条位置对应后腔体的散热槽位置，这样，前后泵浦相互补偿，无泵浦死角，前后冷却也相互补偿，消除晶体应力。
(3)输出激光光学质量好、效率高：本发明由于采用了这种均匀泵浦、均匀冷却并前后相互补偿的泵浦方式，使得DPL激光器的激光工作介质----激光晶体受热均匀、冷却均匀，则晶体应力小使得晶体热损耗、退偏损耗小，效率高，同时，泵浦均匀，所以输出激光的光斑均匀、光学质量好、激光效率高。
附图说明
图1是本发明的全固态DPL脉冲Nd：YAG固体激光器交错侧泵腔体结构示意图。
图2中，(a)是本发明的交错侧泵浦前腔体泵浦-冷却截面示意图，(b)是本发明的侧泵浦后腔体泵浦-冷却截面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1所示，本发明小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体包括前腔体和后腔体两部分，前、后腔体的中心位置均沿轴向z轴方向放置一个激光晶体4，后腔体的泵浦结构相对于前腔体泵浦结构关于z轴旋转90度，即交错放置。
如图2(a)前腔体泵浦截面所示，前腔体包括左右对称水平放置的两个热沉1、上下对称垂直放置的两个散热槽2和激光晶体4，两个散热槽2布置在两个热沉1之间，激光晶体4布置在热沉1和散热槽2所形成结构的中心位置，散热槽2与激光晶体4接触的表面为圆弧面，热沉1上开设有半径大于激光晶体4半径的圆弧，热沉1的圆弧中均匀焊接(铟或金锡焊)二极管泵浦源阵列巴条3，巴条3布置在激光晶体4外围，散热槽2与晶体4接触的圆弧表面抛光镀金并与晶体4紧密接触，同时将晶体4紧密固定，散热槽2与热沉1之间是精密加工成形并用螺钉固定的；前腔体圆孔内的散热槽2和巴条3(图2(a))分别与后腔体的散热槽和巴条(图2(b))，在圆周的位置上旋转90度，即前腔体的散热槽位置对应后腔体的巴条位置，反之，前腔体的巴条位置对应后腔体的散热槽位置；前腔体和后腔体之间布置一个与激光晶体4同轴的偏振光90度旋光晶体5，也可不放置。前后腔体的上面是两个TEC(Thermo-electric cooler)热电制冷器6，对两个腔体恒温控制，TEC热电制冷器6与腔体上表面紧密接触，前、后腔体均绝热的固定在DPL激光器内。
设定本发明的实施例为：激光输出150mJ，重复频率5～20Hz，激光出射光斑直径6mm。
参阅图1，泵浦腔长度的确定：泵浦腔长度一般根据激光晶体的尺寸来确定，而激光晶体的尺寸由所需要的输出激光参数确定，根据上述本发明实施例的激光参数，确定激光晶体直径6mm，一般选取激光晶体总长度100mm，分为两段对应前后两个泵浦腔体，每段晶体长度50mm，则可以确定前泵浦腔的长度为50mm，同样，后泵浦腔长度也为50mm。
二极管泵浦源阵列巴条数及其分布的确定：根据上述实施例的激光输出能量150mJ的要求，按照一般的DPL激光器的泵浦光产生输出激光的光光效率15％计算，则需要1000mJ的泵浦光能量，若考虑泵浦光的脉冲宽度为200us，则泵浦光的峰值功率为5000W，考虑实际应用中，巴条的降低额度使用以及军用要求较大的功率余量，则需要8000W的巴条输出总功率，若选取每条巴条输出100W，则共需要80条二极管巴条数。
根据所需巴条的总数80条，则前后泵浦腔体各分配40条巴条，每一条巴条长度约12mm，则在泵浦腔轴向上，可以排列4组共48mm(参阅图1)，满足50mm泵浦腔长的要求，每组10巴条在泵浦腔体圆周内从两个呈180度方向的均匀对称分布(参阅图2)，则每一个方向是5条巴条组成一组阵列，最后，可以计算出单位厘米长度上的泵浦峰值功率为：满功率10*100W＝1000W，按70％的使用额度为1000W*70％＝700W。
参阅图2，在泵浦腔体截面上泵浦源巴条3的发光长度和散热槽2的冷却弧长确定：图2中，巴条3的发光长度定义为巴条的发光表面到激光晶体表面的距离，散热槽2的冷却弧长为散热槽与圆柱形激光晶体4接触的弧长，对于直径6mm的激光晶体，一般设定散热槽的冷却弧长4mm，2个散热槽冷却弧长共8mm，再根据巴条的发射全角70度，晶体直径6mm，可以计算出巴条的发光长度为2mm，设巴条阵列的发光面到巴条安装面的高度3mm，则可以计算出热沉1的圆周直径为16mm。
通过上述对泵浦腔实施例的设计与计算，可以得出泵浦腔体的设计参数：泵浦腔体两个，每个腔体长度50mm，腔体内各置一只直径6mm长50mm的激光晶体，腔体热沉上的圆周直径16mm，圆周上180度对称垂直放置两个散热槽和水平放置两组巴条阵列，每个散热槽的冷却弧长4mm，每组巴条阵列有5条巴条，每条巴条的最大发射功率100W，巴条的发光长度2mm，共80个巴条均匀分布在前后两个泵浦腔体内，总泵浦功率8000W，单位厘米长度上的泵浦峰值功率为：满功率1000W，按70％的使用额度为700W。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，包括前腔体和后腔体两部分，前、后腔体的中心位置均沿轴向z轴方向放置一个激光晶体(4)，后腔体的泵浦结构相对于前腔体泵浦结构关于z轴旋转90度；前腔体包括左右对称水平放置的两个热沉(1)、上下对称垂直放置的两个散热槽(2)和激光晶体(4)，两个散热槽(2)布置在两个热沉(1)之间，激光晶体(4)布置在热沉(1)和散热槽(2)所形成结构的中心位置，散热槽(2)与激光晶体(4)接触的表面为圆弧面，热沉(1)上开设有半径大于激光晶体(4)半径的圆弧，热沉(1)的圆弧中均匀焊接二极管泵浦源阵列巴条(3)，巴条(3)布置在激光晶体(4)外围；前腔体的散热槽(2)和巴条(3)分别与后腔体的散热槽和巴条在圆周的位置上旋转90度，即前腔体的散热槽位置对应后腔体的巴条位置，反之，前腔体的巴条位置对应后腔体的散热槽位置。
2.如权利要求1所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，所述巴条(3)通过铟或金锡焊在热沉(1)的圆弧中。
3.如权利要求2所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，所述散热槽(2)与晶体(4)接触的圆弧表面抛光镀金并与晶体(4)紧密接触，同时将晶体(4)紧密固定。
4.如权利要求3所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，所述散热槽(2)与热沉(1)之间用螺钉固定。
5.如权利要求4所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，所述前腔体和后腔体之间布置一个与激光晶体(4)同轴的偏振光90度旋光晶体(5)。
6.如权利要求4或5所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，所述前、后腔体的顶部布置TEC热电制冷器(6)，对两个腔体恒温控制，TEC热电制冷器(6)与腔体上表面紧密接触，前、后腔体均绝热的固定在DPL激光器内。
7.如权利要求6所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，所述DPL脉冲激光器激光为输出150mJ，重复频率5～20Hz，激光出射光斑直径6mm；则，设置激光晶体直径6mm，前、后腔体中激光晶体(4)的长度均为50mm。
8.如权利要求7所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，选取每条巴条输出100W，则共需要80条二极管巴条数，前、后腔体各分配40条巴条，每一条巴条长度12mm，则在泵浦腔轴向上，排列4组共48mm，满足50mm泵浦腔长的要求，每组10巴条在泵浦腔体圆周内从两个呈180度方向的均匀对称分布，则每一个方向是5条巴条组成一组阵列。
9.如权利要求8所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，所述巴条(3)的发光长度定义为巴条的发光表面到激光晶体表面的距离，散热槽(2)的冷却弧长为散热槽与圆柱形激光晶体(4)接触的弧长，对于直径6mm的激光晶体，设定散热槽的冷却弧长4mm，2个散热槽冷却弧长共8mm，再根据巴条的发射全角70度，晶体直径6mm，计算出巴条的发光长度为2mm，设巴条阵列的发光面到巴条安装面的高度3mm，则计算出热沉的圆周直径为16mm。
10.如权利要求9所述的小型DPL脉冲激光器交错侧泵腔体，其特征在于，所述前、后腔体长度50mm，腔体内各置一只直径6mm长50mm的激光晶体，腔体热沉上的圆周直径16mm，圆周上180度对称垂直放置两个散热槽和水平放置两组巴条阵列，每个散热槽的冷却弧长4mm，每组巴条阵列有5条巴条，每条巴条的最大发射功率100W，巴条的发光长度2mm，共80个巴条均匀分布在前后两个腔体内，总泵浦功率8000W，单位厘米长度上的泵浦峰值功率为：满功率1000W，按70％的使用额度为700W。
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