CN111509551B - 一种实现激光器稳定输出的方法及激光器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现激光器稳定输出的方法及激光器系统。本发明通过测量和分析计算激光器内部各个发热元器件的发热情况，仿真模拟激光器最佳工作状态时所需要保持的制冷量，对激光器内部各个发热元器件实时进行温度探测，同时根据对比探测到的实时温度与最优化制冷方案中的温度，及时修正冷却方案中激光器内部各个发热元器件的制冷量，以达到从全局域出发，最终实现激光器光机热平衡的目的。使得激光器具有较强的环境自适应能力、输出光束质量好、长时间工作稳定性优异的产品性能。

Description

一种实现激光器稳定输出的方法及激光器系统

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种实现激光器稳定输出的方法及激光器系统。

背景技术

在激光器的所有参数中，激光器的输出功率及稳定性是激光器输出特性的最基本技术指标，也是尤为重要的指标参数，并且直接影响加工的质量和效率。

影响激光器输出功率及其稳定性的主要因素有工作电流、工作电压、工作温度等诸多因素，其中工作温度不仅影响激光器输出功率的稳定性，更会影响激光器的指向稳定性、光束质量等关键参数，而这些参数在诸如激光加工等领域的应用要求极其严格，例如激光的指向稳定性，单位是rad/℃，可见衡量其优劣的依据是光束随着环境温度变化而保持指向方位的能力。

又比如在激光微加工领域中，微加工的精度可达1.5um，最小可刻蚀微结构尺寸几十微米，如此高精度的材料加工，要求作为光刀的激光束在工作过程中保持近乎不变的传输特性，其微小的抖动将导致聚焦到材料的光束严重偏离或失去焦点，造成加工质量劣化、加工精度降低。

同时，应用于工业化领域的激光器产品，外部环境将不再是恒温恒湿的实验室环境，温度变化后的自适应能力，是激光器产品的首要攻克难题。

因此，如何设计并生产具有环境自适应能力强、光束质量好、长时间工作稳定性优异的激光器产品是当前工业化激光器产品尤为重要的一项瓶颈技术。

发明内容

本发明为了使激光器具有较强的环境自适应能力、输出光束质量好、长时间工作稳定性优异的产品性能，从而提供了一种实现激光器稳定输出的方法。

同时，本发明还提供了一种具有环境自适应能力强且输出稳定性强的激光器系统。

本发明的基本设计原理是：

本发明提出了一种实现激光器稳定输出的方法，通过分析计算激光器内部各个发热元器件的发热情况，仿真模拟激光器最佳工作状态时所需要保持的制冷量，对激光器内部各个发热元器件实时进行温度探测，同时根据对比探测到的实时温度与最优化制冷方案中的温度，及时修正冷却方案中激光器内部各个发热元器件的制冷量，以达到从全局域出发，最终实现激光器光机热平衡的目的。

本发明的具体技术方案是：

一种实现激光器稳定输出的方法，包括以下步骤：

1)分别绘制激光器壳体内各发热元器件在额定功率下制冷量与制冷组件散热功率、表面温度的关系曲线；

2)根据设有制冷组件的激光器仿真模型，获得激光器底板最小形变量时各制冷组件调整后的散热功率值和制冷组件表面温度值；再根据步骤1的关系曲线，获得激光器底板最小形变量对应的制冷量；

3)搭建具备动态热平衡能力的激光器系统

根据步骤2所查出的制冷量，给激光器壳体内各发热元器件安装相应的制冷组件，并在各个发热元器件上设置温度探测器；再将温度探测器、制冷组件与激光器控制单元进行数据连接，搭建具备动态热平衡能力的激光器；

4)控制激光器的输出稳定性

激光器控制单元根据各发热元器件的温度变化调节相应制冷组件的制冷量，使这些发热元器件的温度值回到原先维持激光器底板最小形变量的温度值，实现激光器的稳定输出。

进一步地，如果某发热元器件的温度变化过大导致制冷组件的调节无法恢复原温度时，该方法还包括以下步骤：

计算机根据温度传感器采集获得的各发热元器件的温度分布重新构建激光器底板温度分布图，再次仿真计算此时的激光器底板热形变，并以此设置制冷组件的制冷量；

反复修正制冷量并重新仿真激光器底板热形变，直至获得新的激光器主体底板最小形变量；

计算机将新的制冷量发送给各个制冷组件，从而维持激光器底板的最小热形变，实现激光器的稳定输出。

进一步地，所述步骤1)的具体实现过程是：

1.1)确定激光器壳体内部各发热元器件；

1.2)在各发热元器件上设置制冷组件；

1.3)使各发热元器件在额定功率下工作，获得各发热元器件对应的制冷组件的散热功率；

1.4)改变每个制冷组件的制冷量，获得各发热元器件在额定功率下的制冷量与制冷组件散热功率、表面温度的关系曲线。

进一步地，所述步骤2)的具体实现过程是：

2.1)建立设有制冷组件的激光器仿真模型；

2.2)根据步骤1获取的关系曲线以及每个发热元器件的在激光器模型内部的分布位置，在激光器仿真模型上仿真模拟各个发热元器件的温度场分布和热形变，构建激光器内部的热形变三维分布图；

2.3)在热形变三维分布图上，反复调整最大热形变区域的散热功率、制冷组件表面温度值，直至获得激光器底板最小形变量的热形变三维分布图；

2.4)根据激光器底板最小形变量的热形变三维分布图，获得底板最小形变量时各制冷组件调整后的散热功率值和制冷组件表面温度值；

2.5)根据各制冷组件调整后的散热功率值和制冷组件表面温度值，从步骤1的关系曲线，查出激光器底板最小形变量时各发热元器件所需的制冷量；

制冷组件可选择多种方式，本发明给出了两种方式分别是：

水冷式制冷组件，其包括水冷板、水冷机、水冷管道以及流量阀；

水冷板为多个，且分别安装于每个发热元器件与激光器底板之间；

水冷管道为多个，且分别安装于每个水冷板与水冷机之间，用于通过水冷机向水冷板供水；

流量阀为多个，分别安装于每个水冷管道上，用于调节每个水冷管道内通过的水流量。

电冷式制冷组件，其包括半导体制冷片、温控器以及电缆；

半导体制冷片为多个，且分别安装于每个发热元器件与激光器底板之间；

温控器位于激光器壳体外部，并且通过电缆与所述半导体制冷片电连接。

基于上述方法，本发明提供了两种激光器系统的结构：

第一种激光器系统，其包括激光器主体，水冷机、激光器控制单元、水冷板、温度探测器、水冷管道以及流量阀；

水冷板为多个，且分别安装于激光器主体内部的每个发热元器件与激光器主体的底板之间；

温度探测器为多个，且分别安装于每个发热元器件上，用于探测每个发热元器件的实时温度值；

水冷管道为多个，且分别安装于每个水冷板与水冷机之间，用于通过水冷机向水冷板供水；

流量阀为多个，分别安装于每个水冷管道上，用于调节每个水冷管道内通过的水流量；

温度探测器以及流量阀均与激光器控制单元数据连接。

第二种激光器系统，其包括激光器主体以及激光器控制单元；其特征在于：还包括半导体制冷片、温控器、电缆以及温度传感器；

半导体制冷片为多个，且分别安装于每个发热元器件与激光器底板之间；

温控器位于激光器壳体外部，并且通过电缆与所述半导体制冷片电连接；

温度探测器为多个，且分别安装于每个发热元器件上，用于探测每个发热元器件的实时温度值；

温度探测器、半导体制冷片以及温控器均与激光器控制单元数据连接。

进一步地，上述方法以及激光器系统中发热元器件包括LD泵浦模块、激光晶体模块、电光或声光调制器模块以及安装在激光器底板上的各电路控制模块。

进一步地，上述方法以及激光器系统中激光器控制单元为激光器主体的内置计算机。

本发明的有益效果是：

本发明专利针对目前高功率激光器(不仅限于固体高功率激光器)由于器件的热累计影响激光器输出特性的弊端问题，提出一种全局域实时管理的方法，实现激光器随工作状态和环境变化，自适应调节并保持光机热平衡状态，进而实现更高功率稳定性、更高环境可靠性、更高光束指向稳定性的激光输出。

同时，激光器将适应更多元化的外部环境温度变化，为高功率激光器下游应用产业提供更优质的产品性能。

本发明方法从激光器自身的热管理设计方面改善了激光器整机的输出激光稳定性，是提升激光器自身可靠性和环境适应性的一种直接而有效的技术方法，为高精度激光应用领域解决了光源的环境自适应能力差和稳定性低的难题。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图。

图2为制冷量与制冷组件散热功率、表面温度的关系曲线图。

图3为实施例1的激光器系统结构原理图。

图4为实施例2的激光器系统结构原理图。

附图标记如下：

1-激光器壳体、2-水冷机、3-水冷板、4-水冷管道、5-流量阀、6-发热元器件、7-激光器底板、8-计算机；9-显示器、10-半导体制冷片、11-温控器、12-电缆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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做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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种实现激光器稳定输出的方法，如图1所示，主要包括以下实现步骤：

步骤1：确定激光器壳体内各发热元器件；

步骤2：分别绘制激光器壳体内各发热元器件在额定功率下制冷量与制冷组件散热功率、表面温度的关系曲线，如图2所示；

步骤3：根据设有制冷组件的激光器仿真模型，获得激光器底板最小形变量时各制冷组件调整后的散热功率值和制冷组件表面温度值；再根据步骤2的关系曲线，获得激光器底板最小形变量对应的制冷量；

步骤3：搭建具备动态热平衡能力的激光器系统

根据步骤2所查出的制冷量，给激光器壳体内各发热元器件安装相应的制冷组件，并在各个发热元器件上设置温度探测器；再将温度探测器、制冷组件与激光器控制单元进行数据连接，搭建具备动态热平衡能力的激光器系统；

步骤4：控制激光器的输出稳定性

激光器控制单元根据各发热元器件的温度变化调节相应制冷组件的制冷量，使这些发热元器件的温度值回到原先维持激光器底板最小形变量的温度值，实现激光器的稳定输出；

步骤5：如果某发热元器件的温度变化过大导致制冷组件的调节无法恢复原温度时：计算机根据温度传感器采集获得的各发热元器件的温度分布重新构建激光器底板温度分布图，再次仿真计算此时的激光器底板热形变，并以此设置制冷组件的制冷量；

反复修正制冷量并重新仿真激光器底板热形变，直至获得新的激光器主体底板最小形变量；

计算机将新的制冷量发送给各个制冷组件，从而维持激光器底板的最小热形变，实现激光器的稳定输出。

实施例1

本实施例提供了一种采用制冷组件为水冷的方案对本发明做进一步详细的描述。

步骤1：确定激光器主体内部发热元器件；发热元器件包括LD泵浦模块、激光晶体模块、电光或声光调制器模块、以及安装在激光器底板上的各电路控制模块；

步骤2：在每个发热元器件设置一个水冷板及相应的流量阀和热流计，并统一水冷机水温设置；

步骤3：使各发热元器件在额定功率下工作，获得各发热元器件对应的制冷组件的散热功率；

步骤4：分别改变每个流量阀的流量设置值，测量出每个发热元器件的冷却水流量值与水冷板散热功率、表面温度的关系曲线；

步骤5：建立设有水冷板的激光器仿真模型；

步骤6：以每个发热元器件的分布位置以及步骤4获取的关系曲线为依据，用热传导仿真软件数值计算出各个发热元器件对激光器底板的局部温升，以及对应的局部热形变，将各个发热元器件的热形变组合，形成激光器底板热形变三维分布图；

步骤7：步骤6中得到的激光器底板热形变三维分布图展示出了激光器底板的变形和扭曲，找出这种不可接受的扭曲的主要分布位置，在热传导仿真软件上改变这些重点位置附近发热区域的散热功率、水冷板表面温度值，软件计算仿真出新的底板热形变三维图；反复修改发热区域散热功率、水冷板表面温度值，不断修正热形变分布，直至获得激光器底板最小形变量的热形变分布图；

步骤8：根据激光器底板最小形变量的热形变分布图计算获得的支持底板最小热形变的各个水冷板修订后的散热功率值、温度值；

步骤9：对照步骤4测得的“冷却水流量值与水冷板散热功率、表面温度的关系曲线”，查出激光器底板最小形变量时各形变区域的冷却水流量值；

步骤10：搭建具备动态热平衡能力的激光器系统；

在各个发热元器件布置温度探测器，在各个发热元器件上安装水冷板、在个水冷板和水冷机之间的水冷管道上设置流量阀，将所有温度探测器和水流量传感器与激光器控制单元进行数据连接；

步骤11：当激光器中各发热元器件中的任意一个或多个出现了发热量变化，温度探测器将变化的温度值传递给激光器控制单元；激光器控制单元根据温度变化来调节流量阀，温度过高之处加大冷却液流量、温度过低之处减少冷却液流量，使这些区域的温度值回到原先维持激光器底板最小形变量的温度值，从而实现激光器的稳定输出。

如出现某发热区域的温度变化过大，流量阀的调节无法恢复原温度时，该方法还包括步骤12：

步骤12：激光器控制单元根据温度传感器采集获得的各个发热元器件温度分布来构建新的激光器底板温度分布图，并据此利用热传导仿真软件重新计算新温度分布情况下的激光器底板热形变；激光器控制单元按照补偿热形变的算法思想，对所有水冷板重新设置散热功率及温度值，每次设置后重新仿真计算激光器底板热形变；反复修正设置值并模拟热形变，直至获得新的激光器底板最小形变量，计算机将新的温度分布指令发送给各个流量阀，从而完成新的流量设置，并实现维持激光器底板的最小热形变，从而实现激光器的稳定输出。

基于上述方法，本实施例最终所构建的激光器具体结构如图3所示，包括激光器壳体1、水冷机2、水冷板3、温度探测器(图中未示出)、水冷管道4、流量阀5、发热元器件6以及激光器控制单元；本实施例中多个发热元器件分别为LD泵浦模块、激光晶体模块、电光或声光调制器模块以及安装在激光器底板上的各电路控制模块。

每个发热元器件6分别设置一个水冷板3，且每个发热元器件6的水冷板3都安装于激光器底板7上；

每个发热元器件6上均设有温度测探器；

每个水冷板3均通过水冷管道4与水冷机2连通；每根水冷管道4上均安装有流量阀5；所有温度测探器、流量阀5均与激光器控制单元进行数据连接，本实施例中激光器控制单元为激光器内置计算机8，该计算机与外部显示器9连接。

实施例2

本实施例提供了一种制冷组件为电制冷的方案来对本发明做进一步详细的描述，

步骤1：确定激光器主体内部发热元器件；发热元器件包括LD泵浦模块、激光晶体模块、电光或声光调制器模块、以及安装在激光器底板上的各电路控制模块。

步骤2：在每个发热元器件设置一个半导体制冷片，并且设置一个温控器对半导体制冷片进行控制；

步骤3：使各发热元器件在额定功率下工作，获得各发热元器件对应的半导体制冷片的散热功率；

步骤4：分别改变每个半导体制冷片的制冷量，测量出每个发热元器件的制冷量与半导体制冷片散热功率、表面温度的关系曲线；

步骤5：建立设有半导体制冷片的激光器仿真模型；

步骤6：以每个发热元器件的分布位置以及步骤4获取的关系曲线为依据，用热传导仿真软件数值计算出各个发热元器件对激光器底板的局部温升，以及对应的局部热形变，将各个发热元器件的热形变组合，形成激光器底板热形变三维分布图；

步骤7：步骤6中得到的激光器底板热形变三维分布图展示出了激光器底板的变形和扭曲，找出这种不可接受的扭曲的主要分布位置，在热传导仿真软件上改变这些重点位置附近发热区域的散热功率、半导体制冷片表面温度值，软件计算仿真出新的底板热形变三维图；反复修改发热区域散热功率、半导体制冷片表面温度值，不断修正热形变分布，直至获得激光器底板最小形变量的热形变分布图；

步骤8：根据激光器底板最小形变量的热形变分布图计算获得的支持底板最小热形变的各个半导体制冷片修订后的散热功率值、温度值；

步骤9：对照步骤4测得的“每个发热元器件的制冷量与半导体制冷片散热功率、表面温度的关系曲线”，查出激光器底板最小形变量时各形变区域的制冷量；

步骤10：搭建具备动态热平衡能力的激光器；

在各个发热元器件布置温度探测器，在各个发热元器件上安装半导体制冷片，在激光器壳体外部设置温控器，并将每个半导体制冷片均与温控器电连接；

将所有温度探测器、半导体制冷片、温控器均与激光器控制单元进行数据连接；

步骤11：当激光器中各发热元器件中的任意一个或多个出现了发热量变化，温度探测器将变化的温度值传递给激光器控制单元；激光器控制单元根据温度变化来调节半导体制冷片的制冷量，温度过高之处加大制冷量、温度过低之处减少制冷量，使这些区域的温度值回到原先维持激光器底板最小形变量的温度值，从而实现激光器的稳定输出。

如出现某发热区域的温度变化过大，半导体制冷片的调节无法恢复原温度时，该方法还包括步骤12：

步骤12：激光器控制单元根据温度传感器采集获得的各个发热元器件温度分布来构建新的激光器底板温度分布图，并据此利用热传导仿真软件重新计算新温度分布情况下的激光器底板热形变；激光器控制单元按照补偿热形变的算法思想，对所有半导体制冷片重新设置散热功率及温度值，每次设置后重新仿真计算激光器底板热形变；反复修正设置值并模拟热形变，直至获得新的激光器底板最小形变量，计算机将新的温度分布指令发送给各个半导体制冷片，从而完成新的制冷量设置，并实现维持激光器底板的最小热形变，从而实现激光器的稳定输出。

基于上述方法，本实施例最终所构建的激光器具体结构如图4所示，包括激光器壳体1、半导体制冷片10、温控器11、电缆12、温度探测器(图中未示出)以及激光器控制单元；本实施例中多个发热元器件6分别为LD泵浦模块、激光晶体模块、电光或声光调制器模块以及安装在激光器底板7上的各电路控制模块。

每个发热元器件6分别设置一个半导体制冷片10，且每个发热元器件6的半导体制冷片10都安装于激光器底板7上，温控器11位于激光器壳体1外部，并且通过电缆12与所述半导体制冷片10电连接；

每个发热元器件6上均设有温度测探器；

所有温度测探器、半导体制冷片10、温控器11均与激光器控制单元进行数据连接，本实施例中激光器控制单元为激光器内置计算机8，该计算机8与外部显示器9连接。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解成对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种实现激光器稳定输出的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)分别绘制激光器壳体内各发热元器件在额定功率下制冷量与制冷组件散热功率、表面温度的关系曲线；

2)根据设有制冷组件的激光器仿真模型，获得激光器底板最小形变量时各制冷组件调整后的散热功率值和制冷组件表面温度值；再根据步骤1)的关系曲线，获得激光器底板最小形变量对应的制冷量；

3)搭建具备动态热平衡能力的激光器系统

根据步骤2)所查出的制冷量，给激光器壳体内各发热元器件安装相应的制冷组件，并在各个发热元器件上设置温度探测器；再将温度探测器、制冷组件与激光器控制单元进行数据连接，搭建具备动态热平衡能力的激光器系统；

4)控制激光器的输出稳定性

激光器控制单元根据各发热元器件的温度变化调节相应制冷组件的制冷量，使这些发热元器件的温度值回到原先维持激光器底板最小形变量的温度值，实现激光器的稳定输出。

2.根据权利要求1所述的实现激光器稳定输出的方法，其特征在于：如果某发热元器件的温度变化过大导致制冷组件的调节无法恢复原温度时，该方法还包括以下步骤：

计算机根据温度传感器采集获得的各发热元器件的温度分布重新构建激光器底板温度分布图，再次仿真计算此时的激光器底板热形变，并以此设置制冷组件的制冷量；

反复修正制冷量并重新仿真激光器底板热形变，直至获得新的激光器主体底板最小形变量；

计算机将新的制冷量发送给各个制冷组件，从而维持激光器底板的最小热形变，实现激光器的稳定输出。

3.根据权利要求1或2所述的实现激光器稳定输出的方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现过程是：

1.1)确定激光器壳体内部各发热元器件；

1.2)在各发热元器件上设置制冷组件；

1.3)使各发热元器件在额定功率下工作，获得各发热元器件对应的制冷组件的散热功率；

1.4)改变每个制冷组件的制冷量，获得各发热元器件在额定功率下的制冷量与制冷组件散热功率、表面温度的关系曲线。

4.根据权利要求3所述的实现激光器稳定输出的方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现过程是：

2.1)建立设有制冷组件的激光器仿真模型；

2.2)根据步骤1获取的关系曲线以及每个发热元器件的在激光器模型内部的分布位置，在激光器仿真模型上仿真模拟各个发热元器件的温度场分布和热形变，构建激光器内部的热形变三维分布图；

2.3)在热形变三维分布图上，反复调整最大热形变区域的散热功率、制冷组件表面温度值，直至获得激光器底板最小形变量的热形变三维分布图；

2.4)根据激光器底板最小形变量的热形变三维分布图，获得底板最小形变量时各制冷组件调整后的散热功率值和制冷组件表面温度值；

2.5)根据各制冷组件调整后的散热功率值和制冷组件表面温度值，从步骤1的关系曲线，查出激光器底板最小形变量时各发热元器件所需的制冷量。

5.根据权利要求4所述的实现激光器稳定输出的方法，其特征在于：发热元器件包括LD泵浦模块、激光晶体模块、电光或声光调制器模块以及安装在激光器底板上的各电路控制模块。

6.根据权利要求1所述的实现激光器稳定输出的方法，其特征在于：所述制冷组件包括水冷板、水冷机、水冷管道以及流量阀；

水冷板为多个，且分别安装于每个发热元器件与激光器底板之间；

水冷管道为多个，且分别安装于每个水冷板与水冷机之间，用于通过水冷机向水冷板供水；

流量阀为多个，分别安装于每个水冷管道上，用于调节每个水冷管道内通过的水流量。

7.根据权利要求1所述的实现激光器稳定输出的方法，其特征在于：所述制冷组件包括半导体制冷片、温控器以及电缆；

半导体制冷片为多个，且分别安装于每个发热元器件与激光器底板之间；

温控器位于激光器壳体外部，并且通过电缆与所述半导体制冷片电连接。

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