CN111952825B - 一种激光器的增益介质冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了激光器的增益介质冷却装置，包括冷却组件及增益介质固定座，增益介质固定座的上下表面分别贴合设置冷却组件，增益介质固定座上设有入射安装面、出射安装面，以及贯通入射安装面和出射安装面设置的增益介质，增益介质的入射端面和出射端面均切割有布儒斯特斜面，入射安装面与增益介质的入射端面平行设置，出射安装面与出射端面平行设置。通过将增益介质的入射端面和出射端面设置成布儒斯特斜面，且增益介质固定座的入射安装面、出射安装面与布儒斯特斜面平行，结构紧凑，能减少光的损耗，提供高质量的激光光束输出；并在增益介质固定座的上下表面分别设置冷却组件，避免增益介质的上下两端散热不均匀，能满足实验需求的制冷温度。

Description

一种激光器的增益介质冷却装置
技术领域
本发明涉及激光器冷却技术领域，具体一种激光器的增益介质冷却装置。
背景技术
超快超强激光技术的研究，是目前国际上具有战略意义的前沿科学课题；其研究主要以对超短激光脉冲产生与放大的研究与应用为主。由于超短激光脉冲在放大的过程中，增益介质常需要冷却至200K左右以减弱热透镜效应带来的影响，避免激光输出稳定性受到影响以及增益介质受到损伤。基于此要求发展了诸多不同的冷却方式，如传导冷却、水冷、风冷、半导体制冷、液氮制冷及以上方式的复合制冷。
现有的增益介质冷却装置大多采用单侧制冷，导致增益介质会随着与制冷组件距离的增大产生一定的温度梯度，造成增益介质两侧的散热不均匀，另外由于结构复杂，导致光损耗较大，严重影响激光输出的质量。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种激光器的增益介质冷却装置，包括冷却组件及增益介质固定座，所述增益介质固定座的上下表面分别贴合设置冷却组件，所述增益介质固定座上设有入射安装面、出射安装面，以及贯通入射安装面和出射安装面设置的增益介质，所述增益介质的入射端面和出射端面均切割有布儒斯特斜面，所述入射安装面与增益介质的入射端面平行设置，所述出射安装面与出射端面平行设置。
进一步地，所述增益介质固定座包括呈中心对称设置且配合连接的压板和支撑板，所述压板上设有压接部，所述支撑板上设有支撑部，所述压接部上设有第一安装槽，所述支撑部上设有第二安装槽，所述第一安装槽与第二安装槽相配合形成用于安装增益介质的安装孔，所述入射安装面设置于压接部和支撑部的一侧上，所述出射安装面设置于压接部和支撑部的另一侧上。
进一步地，还包括壳体，所述壳体内设有与外部抽真空设备连接的真空腔室，所述增益介质固定座设置于真空腔室内，所述壳体侧壁上设有与真空腔室连通的泵浦光入射口和泵浦光出射口，所述泵浦光入射口和泵浦光出射口上分别设有布儒斯特窗组件，所述入射安装面与泵浦光入射口相对倾斜设置，所述出射安装面与泵浦光出射口相对倾斜设置，两所述布儒斯特窗组件、增益介质固定座沿激光光路排列，所述增益介质的轴向与进入其内的激光光路同轴，泵浦光通过布儒斯特窗组件实现对增益介质的双面对称泵浦。
进一步地，所述布儒斯特窗组件包括导光管和连接法兰，所述导光管的一端与激光光束呈布儒斯特角设置并设有玻璃片，所述导光管的另一端通过连接法兰分别与泵浦光入射口和泵浦光出射口连接，所述玻璃片与布儒斯特斜面接近平行设置。
进一步地，所述冷却组件包括热沉和半导体制冷板，所述热沉与增益介质固定座之间设置半导体制冷板，所述半导体制冷板与外部电源连接。
进一步地，所述冷却组件还包括与热沉连接的水冷板，所述水冷板上设有进水口、进水通道、出水通道及出水口，所述热沉内设有水冷管道，所述进水口、出水口分别与外部供水装置连接，所述进水口、进水通道、水冷管道、出水通道及出水口依次连通。
进一步地，所述增益介质固定座上设有与增益介质倾斜设置的安装槽，所述安装槽内安装有与外部电源连接的温度传感棒。
进一步地，所述水冷管道包括分别与进水通道、出水通道连接的第一竖管和第二竖管，所述第一竖管与第二竖管之间连接有第一横管，所述第一横管与第二竖管的连接处设有用于缓冲水流冲击力的缓冲延长管。
进一步地，所述增益介质与增益介质固定座之间包裹有铟箔。
进一步地，所述壳体上设有用于观察增益介质表面光斑重合情况的透明观察窗。
与现有技术比较本发明技术方案的有益效果为：
本发明提供的一种激光器的增益介质冷却装置，通过将增益介质的入射端面和出射端面设置成布儒斯特斜面，且增益介质固定座的入射安装面、出射安装面与布儒斯特斜面平行，结构紧凑，降低了复杂程度，减少光的损耗，提供高质量的激光光束输出；并在增益介质固定座的上下表面分别设置冷却组件，避免增益介质的上下两端散热不均匀，能满足实验需求的制冷温度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明实施例提供的一种激光器的增益介质冷却装置的立体图；
图2是本发明实施例提供的一种激光器的增益介质冷却装置的俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种激光器的增益介质冷却装置的主视图；
图4是图2的A-A剖视图；
图5是图3的B-B剖视图；
图6是本发明实施例提供的增益介质固定座的立体图；
图7是本发明实施例提供的增益介质固定座的爆炸视图；
图8是本发明实施例提供的一种激光器的增益介质冷却装置省略壳体的立体图；
图9是本发明实施例提供的下端的水冷板的截面视图。
附图标记如下：
10、冷却组件，11、热沉，111、水冷管道，112、第一竖管，113、第二竖管，114、第一横管，115、缓冲延长管，12、半导体制冷板，13、水冷板，131、进水口，132、进水通道，133、出水通道，134、出水口，20、增益介质固定座，20a、入射安装面，20b、出射安装面，20c、安装槽，21、压板，22、支撑板，23、压接部，23a、第一安装槽，24、支撑部，24a、第二安装槽，30、增益介质，30a、入射端面，30b、出射端面，40、壳体，40a、真空腔室，40b、泵浦光入射口，40c、泵浦光出射口，50、布儒斯特窗组件，51、导光管，52、连接法兰，53、玻璃片，60、透明观察窗，70、水管插头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
请参阅图1-9所示，本发明提供的一种激光器的增益介质冷却装置，包括冷却组件10及增益介质固定座20，增益介质固定座20的上下表面分别贴合设置冷却组件10，增益介质固定座20上设有入射安装面20a、出射安装面20b，以及贯通入射安装面20a和出射安装面20b设置的增益介质30，增益介质30的入射端面30a和出射端面30b均切割有布儒斯特斜面，入射安装面20a与增益介质30的入射端面30a平行设置且不遮挡光路，出射安装面20b与出射端面30b平行设置且不遮挡光路。
优选地，冷却组件10包括热沉11、半导体制冷板12和与热沉11连接的水冷板13，热沉11与增益介质固定座20之间设置半导体制冷板12，半导体制冷板12与外部电源和控制器连接。水冷板13上设有进水口131、进水通道132、出水通道133及出水口134，热沉11内设有呈U形的水冷管道111，进水口131、出水口134分别与外部供水装置连接，进水口131、进水通道132、水冷管道111、出水通道133及出水口134依次连通。
具体的，热沉11为紫铜材质，上端热沉11的水冷管道111的开口上设有水管插头70，下端的水冷板13通过水管插头70与冷水机的水管连接，上端的水冷板13上分别设有带螺纹的进水通道132和出水通道133，两个通道的上部设有与水管连接的水管插头70，两个通道的下端设有水管插头70，该下端的水管插头70与上端热沉11上的水管插头70通过PU水管连接。
泵浦激光在抽运增益介质30时产生多余热量，经紫铜材质的增益介质固定座20传导至半导体制冷板12的冷面，半导体制冷板12的热面又将热量传递给紫铜材质的热沉11，外部的冷却水通过水管插头70进入水冷板13的进水口131，经进水通道132进入热沉11的水冷管道111内对热沉11进行散热，后因受热升温的水经出水通道133从出水口134流出经过降温处理后又回到冷水机，形成冷却水循环，温度传感棒对增益介质固定座20上的温度进行实时监测，控制器根据温度传感棒反馈的实时温度，控制半导体制冷板12上通过的电流大小来调节制冷效果，实现对增益介质30表面温度的精密控制，保证增益介质30内部的温度在200K，能有效地控制增益介质30热透镜效应带来的影响，实现高功率的激光输出效果。采用半导体制冷与水冷组成复合水冷结构，可用于高功率飞秒放大器中增益晶体的冷却与控温。
具体的，热沉11与增益介质固定座20通过螺丝固定。半导体制冷板12的冷侧与增益介质固定座20通过导热硅脂粘接，热侧与热沉11通过导热硅脂粘接，便于快速导热。两个半导体制冷板12同时工作时，可控制冷却温度在200K，最大温差可达85℃。
具体的，上端水冷板13的进水通道132、出水通道133沿上下贯通，下端水冷板13的进水通道132、出水通道133均为L形，下端水冷板13上设有用于固定冷却装置的安装孔。
水冷管道111包括分别与进水通道132、出水通道133连接的第一竖管112和第二竖管113，第一竖管112与第二竖管113之间连接有第一横管114，第一横管114与第二竖管113的连接处设有用于缓冲水流冲击力的缓冲延长管115。
为避免因水流冲击导致水冷管道111漏水，影响水冷效果，因此在横管处单向延长设置缓冲延长管115。
优选地，增益介质固定座20包括呈中心对称设置且配合连接的压板21和支撑板22，压板21上设有压接部23，支撑板22上设有支撑部24，压接部23上设有第一安装槽23a，支撑部24上设有第二安装槽24a，第一安装槽23a与第二安装槽24a相配合形成用于安装增益介质30的安装孔，入射安装面20a设置于压接部23和支撑部24的一侧上，出射安装面20b设置于压接部23和支撑部24的另一侧上。
具体的，增益介质固定座20为紫铜材质，导热性能好，且上下呈中心对称结构，散热均匀。压板21和支撑板22为T形。第一安装槽23a与第二安装槽24a为台阶槽。增益介质固定座20上设有与增益介质30倾斜设置的安装槽20c，安装槽20c内安装有与外部电源连接的温度传感棒。温度传感棒为PT100温度传感器，对增益介质30的温度实现精准监测。安装槽20c优选设置在压板21的出射安装面20b上。
具体的，增益介质30为钛宝石晶体，但不限于钛宝石，也可以是玻璃、气体或半导体等。钛宝石晶体与增益介质固定座20之间包裹有铟箔，铟箔厚度为0.2mm，并通过增益介质固定座20夹持，通过螺丝固定压板21和支撑板22。同时为减轻增益介质固定座20因受热膨胀对钛宝石晶体的压力，第一安装槽23a与第二安装槽24a上相对设有与安装孔同向延伸的凹槽，当增益介质固定座20受热膨胀时，部分结构被挤入凹槽内，防止钛宝石晶体被膨胀的增益介质固定座20挤压破碎。
优选地，还包括壳体40，壳体40内设有与外部抽真空设备连接的真空腔室40a，冷却组件10设置在壳体40上，增益介质固定座20设置于真空腔室40a内，壳体40侧壁上设有与真空腔室40a连通的泵浦光入射口40b和泵浦光出射口40c，泵浦光入射口40b和泵浦光出射口40c上分别设有布儒斯特窗组件50，入射安装面20a与泵浦光入射口40b相对倾斜设置，出射安装面20b与泵浦光出射口40c相对倾斜设置，两布儒斯特窗组件50、增益介质固定座20沿激光光路排列，增益介质30的轴向与进入其内的激光光路同轴，泵浦光通过布儒斯特窗组件50实现对增益介质30的双面对称泵浦。
为避免在制冷200K时，壳体40内的水蒸气遇到增益介质30和热沉11时会凝华形成冰晶，影响激光的输出，具体的，真空腔室40a内抽真空，且真空度保证在1×10-5 mbar 以下，避免增益介质40表面结霜。
具体的，壳体40为长方体结构，采用铝合金材质，壳体40的上下两端设有开口，上下开口处分别设有水冷板13，下端的热沉11安装在下端的水冷板13上，下端的水冷板13与壳体40的侧壁、下端的热沉11的连接处设有第一定位槽，上端的水冷板13与壳体40的侧壁的连接处设有第二定位槽，第一定位槽和第二定位槽内均设有密封圈，且上端的水冷板13通过螺丝与壳体40固定，下端的水冷板13通过螺丝与壳体40及下端的热沉11固定，以保证壳体40与水冷板13连接气密性良好。
为便于半导体制冷板12、温度传感棒与外部走线及方便安装抽真空管道，壳体40的背面设有接线口和抽真空口。壳体40上还设有透明观察窗60，透明观察窗60为透明胶片，用于观察钛宝石晶体表面光斑重合情况。
两布儒斯特窗组件50相对于增益介质30对称设置，故泵浦光出射口40c也可以作为入射口，泵浦光入射口40b作为出射口，优选地，布儒斯特窗组件50包括导光管51和连接法兰52，导光管51的一端与激光光束呈布儒斯特角设置并设有玻璃片53，导光管51的另一端通过连接法兰52分别与泵浦光入射口40b和泵浦光出射口40c连接，玻璃片53与布儒斯特斜面接近平行设置。
具体的，壳体40上设有第三定位槽，连接法兰52与泵浦光入射口40b和泵浦光出射口40c通过密封圈密封连接。导光管51的外端为布氏角切割，外端粘结玻璃片53。
泵浦光沿水平入射到泵浦管入射口上的玻璃片上，经过导光管51水平入射到增益介质30的入射端面上，在增益介质内呈一字形光路传输至出射端面，然后接近水平经另一侧的导光管51、布氏玻璃片出射。
安装时，将固定好的增益介质固定座20放入真空加热炉中加温160℃至2h，使铟箔熔化，自然冷却后铟箔凝固使钛宝石晶体与增益介质固定座20紧密接触，保证散热均匀。将增益介质固定座20的上下两端分别通过导热硅脂粘接半导体制冷板12，将半导体制冷板12的另一侧通过导热硅脂粘接在热沉11上，通过螺丝将热沉11与增益介质固定座20固定，将下端的热沉11放置在下端水冷板13的第一定位槽上在第一定位槽内放置密封圈，通过螺丝将热沉与水冷板13固定，将温度传感棒放置在安装槽20c内，将壳体40固定在下端水冷板13上，将两个半导体制冷板12和温度传感棒的导线穿过接线口与直流稳压电源连接，并保证气密性良好，采用PU水管将上端的热沉11的水管插头70与上端水冷板13的水管插头70连接，通过密封圈使上端水冷板13与壳体40上端密封良好，使用空心铝管插入抽真空口，并与真空泵连接，采用真空表头检测真空腔室40a的真空状态。
装置组装后无需调试，只需放入放大器气腔内，调试对准管路即可，结构紧凑，体积小，操作简单，具有制冷效果好、温控精度高、稳定性好、成本低等一系列特点，在科研与工业上均有广泛的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：包括冷却组件(10)及增益介质固定座(20)，所述增益介质固定座(20)的上下表面分别贴合设置冷却组件(10)，所述增益介质固定座(20)上设有入射安装面(20a)、出射安装面(20b)，以及贯通入射安装面(20a)和出射安装面(20b)设置的增益介质(30)，所述增益介质(30)的入射端面(30a)和出射端面(30b)均切割有布儒斯特斜面，所述入射安装面(20a)与增益介质(30)的入射端面(30a)平行设置且不遮挡光路，所述出射安装面(20b)与出射端面(30b)平行设置且不遮挡光路；
所述增益介质固定座(20)包括上下呈中心对称设置且配合连接的压板(21)和支撑板(22)，所述压板(21)、支撑板(22)分别包括圆盘部，以形成截面呈T形的结构，所述压板(21)上设有压接部(23)，所述支撑板(22)上设有支撑部(24)，所述压接部(23)上设有第一安装槽(23a)，所述支撑部(24)上设有第二安装槽(24a)，所述第一安装槽(23a)与第二安装槽(24a)相配合形成用于安装增益介质(30)的安装孔，所述入射安装面(20a)设置于压接部(23)和支撑部(24)的一侧上，所述出射安装面(20b)设置于压接部(23)和支撑部(24)的另一侧上。
2.如权利要求1所述的激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：还包括壳体(40)，所述壳体(40)内设有与外部抽真空设备连接的真空腔室(40a)，所述增益介质固定座(20)设置于真空腔室(40a)内，所述壳体(40)侧壁上设有与真空腔室(40a)连通的泵浦光入射口(40b)和泵浦光出射口(40c)，所述泵浦光入射口(40b)和泵浦光出射口(40c)上分别设有布儒斯特窗组件(50)，所述入射安装面(20a)与泵浦光入射口(40b)相对倾斜设置，所述出射安装面(20b)与泵浦光出射口(40c)相对倾斜设置，两所述布儒斯特窗组件(50)、增益介质固定座(20)沿激光光路排列，所述增益介质(30)的轴向与进入其内的激光光路同轴，泵浦光通过布儒斯特窗组件(50)实现对增益介质(30)的双面对称泵浦。
3.如权利要求2所述的激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：所述布儒斯特窗组件(50)包括导光管(51)和连接法兰(52)，所述导光管(51)的一端与激光光束呈布儒斯特角设置并设有玻璃片(53)，所述导光管(51)的另一端通过连接法兰(52)分别与泵浦光入射口(40b)和泵浦光出射口(40c)连接，所述玻璃片(53)与布儒斯特斜面平行设置。
4.如权利要求l所述的激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：所述冷却组件(10)包括热沉(11)和半导体制冷板(12)，所述热沉(11)与增益介质固定座(20)之间设置半导体制冷板(12)，所述半导体制冷板(12)与外部电源连接。
5.如权利要求4所述的激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：所述冷却组件(10)还包括与热沉(11)连接的水冷板(13)，所述水冷板(13)上设有进水口(131)、进水通道(132)、出水通道(133)及出水口(134)，所述热沉(11)内设有水冷管道(111)，所述进水口(131)、出水口(134)分别与外部供水装置连接，所述进水口(131)、进水通道(132)、水冷管道(111)、出水通道(133)及出水口(134)依次连通。
6.如权利要求1所述的激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：所述增益介质固定座(20)上设有与增益介质(30)倾斜设置的第三安装槽(20c)，所述第三安装槽(20c)内安装有与外部电源连接的温度传感棒。
7.如权利要求5所述的激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：所述水冷管道(111)包括分别与进水通道(132)、出水通道(133)连接的第一竖管(112)和第二竖管(113)，所述第一竖管(112)与第二竖管(113)之间连接有第一横管(114)，所述第一横管(114)与第二竖管(113)的连接处设有用于缓冲水流冲击力的缓冲延长管(115)。
8.如权利要求l所述的激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：所述增益介质(30)与增益介质固定座(20)之间包裹有铟箔。
9.如权利要求2所述的激光器的增益介质冷却装置，其特征在于：所述壳体(40)上设有用于观察增益介质(30)表面光斑重合情况的透明观察窗(60)。
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