CN112467506B - 一种基于燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，涉及高能激光技术领域。增益装置包括：用于获得激光增益的增益介质、装置内框、激光冷却液体、冷却液入口、冷却液出口、装置外框、用于喷射燃料并实现燃烧的燃料喷口和点火塞、高速气流入口、废气排出口、用于燃料燃烧的燃烧腔室。与现有技术相比本发明重点采用装置内外框分离设计，同时可以通过设计合适的喷射量、喷射角度、点火时间实现燃料在开放式的燃烧腔体内可控燃烧，保证了光泵浦的均匀性和强度。另一方面本发明采用直接液冷的方式对激光增益介质进行冷却保证了有效的热管理，不仅可以实现在持续的高功率激光输出，输出激光光束质量好，同时装置紧凑、小巧，满足多种应用场景使用。

Description

一种基于燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置
技术领域
本发明涉及高能激光技术领域，尤其是一种基于燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率固体激光增益装置。
背景技术
自1960年第一台激光器问世以来，激光技术(尤其是高功率激光)获得了极大的发展。高功率固体激光器以其输出能量大、峰值功率高、可靠性高、使用寿命长的优势，广泛应用于工业、医疗、科研、国防等领域。目前，高功率激光器常采用的泵浦源为电光源，如二极管叠阵、闪光灯等。尽管电光源泵浦是一类较为便利的方式，但其能量转换过程较多、配套要求高，尤其是针对高功率激光光源。燃料泵浦激光器是利用燃料在燃烧过程中发出的强光作为泵浦源，其突出特点是工作过程中能源自给，无需供电、光源配套设施较少，同时无需复杂的泵浦耦合系统，因此该类激光器具有结构简单、紧凑且可完全独立运行的优势，可以满足多种无足够保障条件场景(如太空、战场)的使用。
常见的燃料泵浦激光器主要有两类：固体烟火药泵浦和化学闪光泡泵浦。固体烟火药泵浦是将固体药剂包裹在电阻丝上，电阻丝通电后升温引发烟火反应，产生强光进行泵浦；化学闪光泡结构与普通灯泡类似，闪光泡内部充满氧气和松散的锆丝，通电加热时锆丝与氧气反应发出耀眼的闪光进行泵浦。这两种泵浦方式都存在的问题包括：(1)泵浦燃料的补充，即无法快速完成泵浦燃料的补充而只能采取单个或者极少数脉冲工作的方式；(2)无法实现高平均功率输出，由于工作的脉冲次数较少且无有效的热管理方式，使得无法长时间高功率输出。
因此，优化燃料的供给方式、增强激光光源的热管理效果是提高燃料泵浦激光光源输出功率的关键。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，在实现快速的持续燃料补给的同时提供有效热管理。
本发明采用的技术方案如下：
一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，所述增益装置包括：用于获得激光增益的增益介质(1)、装置内框(2)、激光冷却液体(4)、冷却液入口(5)、冷却液出口(6)、装置外框(7)、用于喷射燃料并实现燃烧的燃料喷口(8)和点火塞(9)、高速气流入口(10)、废气排出口(11)、用于燃料燃烧的燃烧腔室(12)。
进一步的，所述激光增益装置的装置内框(2)外设有装置外框(7)，且装置内框(2)与装置外框(7)分离；
所述装置内框(2)用于固定增益介质(1)的位置及激光冷却液(4)的流动，所述装置外框(7)用于固定燃料喷口(8)及点火塞(9)。
进一步的，所述增益装置还包括增益介质固定支架(3)，用于将增益介质(1)固定安装在装置内框(2)内。
进一步的，所述装置内框(2)和装置外框(7)之间形成供燃料燃烧的燃烧腔室(12)，用于燃料在腔室内的可控燃烧。
进一步的所述增益介质(1)的材料为晶体、陶瓷或玻璃，用于获取高激光增益。
进一步的，装置内框(2)上设置有激光冷却液入口(5)和冷却液出口(6)，激光冷却液(4)由冷却液入口(5)注入到增益介质(1)和装置内框(2)之间的腔室中，带走热量后由冷却液出口(6)流出，实现对增益介质(1)的冷却。
进一步的，用于喷燃的燃料为液体燃料或压缩气体燃料，并且能够持续性的为喷燃提供燃料源；并且所述激光冷却液(4)为对泵浦光及激光无强吸收的液体。
进一步的，高速气流入口(10)用于向燃烧腔体(12)内冲入高速气流，用于补充燃烧过程中需要的氧气，同时实现对燃烧腔体(12)的冷却。
进一步的，所述装置外框(7)上设置有一个或多个燃料喷口(8)和点火塞(9)，并通过设计喷射量、喷射角度、点火时间实现燃料在开放式的燃烧腔室(12)内可控地持续地燃烧。
进一步的，在所述增益装置启动工作后，燃料通过固体在装置外框(7)上的燃料喷口(8)以高速、高压喷射进装置内框(2)和装置外框(7)之间的燃烧腔室(12)中，在燃料喷射进燃烧腔室(12)的一瞬间，位于装置外框(7)上的点活塞(9)对燃料进行点火燃烧，发出强光使增益介质实现上能级粒子数反转进而实现高功率激光输出。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、与现有技术相比，本发明提供的燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率固体激光增益装置重点采用装置内外框分离设计，其中内框用于固定激光增益介质、以及激光冷却液流动，保证了对增益介质和燃烧腔体的有效热管理；同时，在外腔上设置多个燃料喷射口及点火塞，可以通过设计合适的喷射量、喷射角度、点火时间实现燃料在开放式的燃烧腔体内可控燃烧，保证了光泵浦的均匀性和强度。
2、本发明提供的燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率固体激光增益装置使用燃料喷燃发出强光实现激光泵浦保证了燃烧的可持续性，同时采用直接液冷的方式对激光增益介质进行冷却保证了有效的热管理，不仅可以实现在持续的高功率激光输出，同时装置紧凑、小巧，满足多种应用场景使用。
3、本发明提供的燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率固体激光增益装置中，通过在燃烧室内注入高速气流不仅可以提供助燃气体，也将燃烧后的高温废气带走，辅之以内腔的流动液体，实现对燃烧腔室的温度控制，保证了装置的安全性。
4、本发明提供的燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率固体激光装置具有化学激光器的配套简单的优点、同时具有固体激光紧凑小巧的优势，并且具有输出功率高、热管理方式优秀以及输出激光光束质量好等优势，在高功率激光器领域中具有重要的应用前景。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明提供的一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置；
图2是本发明提供的一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置的剖面图；
图3是本发明提供的基于燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率固体激光增益装置的高功率稳腔激光器；
图中：1-增益介质，2-装置内框，3-增益介质固定支架，4-激光冷却液体，5-冷却液入口，6-冷却液出口，7-装置外框，8-燃料喷口，9-点火塞，10-高速气流进入口，11-废气排出口，12-燃料腔室，13-输出耦合镜，14-激光全反镜，15-输出激光。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
实施例1
如图1-图2所示，图1为一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置。该增益装置结构包括：增益介质(1)、装置内框(2)、增益介质固定支架(3)、激光冷却液体(4)、冷却液入口(5)、冷却液出口(6)、装置外框(7)、燃料喷口(8)、点火塞(9)、高速气流入口(10)、废气排出口(11)、燃烧腔室(12)。激光增益介质(1)通过增益介质固定支架(3)固定安装在装置内框(2)内，且该激光增益介质(1)获得增益的来源为液体或气体燃料燃烧产生的强光。装置内框(2)外还设有装置外框(7)，且装置内框(2)和装置外框(7)之间形成供燃料燃烧的燃烧腔室(12)，如图2的激光增益装置的剖面图所示。
在一个实施例中所述增益介质(1)的材料为晶体、陶瓷或玻璃，用于获取高激光增益。
在启动工作后，燃料通过固体在装置外框(7)上的燃料喷口(8)以高速、高压喷射进装置内框(2)和装置外框(7)之间的燃烧腔室(12)中，在燃料喷射进燃烧腔室(12)的一瞬间，位于装置外框(7)上的点活塞(9)对燃料进行点火燃烧，发出强光使增益介质实现上能级粒子数反转进而实现高功率激光输出。
在一个实施例中，所述用于喷燃的燃料为液体燃料或压缩气体燃料，并且能够持续性的为喷燃提供燃料源，本发明实施例对此不作限定。
进一步的，在实现高功率激光输出的过程中，会产生大量的热量沉积在增益介质(1)上，因此在装置内框(2)上设置有激光冷却液入口(5)和冷却液出口(6)。在一个实施例中，激光冷却液(4)由冷却液入口(5)注入到增益介质(1)和装置内框(2)之间的腔室中，带走热量后由冷却液出口(6)流出，实现对增益介质(1)的冷却，同时也对燃烧腔体(12)的冷却有一定作用。
在一个实施例中，所述激光冷却液(4)为对泵浦光及激光无强吸收的液体，并以一定速度流过增益介质，实现增益介质冷却。在另一个实施例中对所述激光冷却液(4)的注入速度和流动速度进行控制，以获取更优的冷却效果。
另一方面还需要向燃烧腔体(12)内通过高速气流入口(10)冲入高速气流，例如空气或氧气气流或其他助燃气，其作用是补充燃烧过程中需要的气体，同时实现对燃烧腔体(12)的冷却。
在一个实施例中，装置外框(7)上设置有一个或多个燃料喷口(8)和点火塞(9)，在实际应用中根据场景选择需要使用的燃料喷口(8)和点火塞(9)数量，并通过设计合适的喷射量、喷射角度、点火时间实现燃料在开放式的燃烧腔室(12)内可控地、持续地燃烧，保证了光泵浦的均匀性和强度。
通过在燃烧室内注入的高速气流不仅可以提供助燃气体，也将燃烧后的高温废气带走，辅之以内腔的流动液体，实现对燃烧腔室的温度控制，保证了装置的安全性。
实施例2
本实施例提供了一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率固体激光增益装置的操作方法。当开始启动工作后，选择并调节一个或若干个燃料喷口(8)的喷注流量值和压力，然后依次打开高速气流入口(10)、燃料喷口(8)、点火塞(9)，燃料经过燃料喷口(8)被喷注到燃烧腔室(12)中，同时高速空气或高速氧气气流通过高速气流进入口(10)到达燃烧腔室(12)中，喷注的燃料与高速气流充分混合后，经点火塞(9)点燃后在燃烧腔室(12)中持续燃烧，而高温燃烧发出的强光使增益介质(1)实现上能级粒子数反转进而实现高功率激光输出。
实施例3
本实施例还提供了一种基于前述任一实施例的增益装置的高功率稳腔激光器，如图3所示。所述高功率稳腔激光器系统包含一个增益装置(I)，增益装置(I)的两侧分别设置有激光全反镜(14)和耦合输出镜(13)，从而组成激光谐振腔。所述增益装置(I)为前述任一实施例中的燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率固体激光增益装置，在高功率稳腔激光器开始工作后，增益装置(I)中激发的高能辐射被激光谐振腔做腔内振荡不断被放大，后经耦合输出镜(13)耦合后形成输出激光(15)。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (7)

1.一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，其特征在于，所述增益装置包括：用于获得激光增益的增益介质(1)、装置内框(2)、激光冷却液(4)、冷却液入口(5)、冷却液出口(6)、装置外框(7)、用于喷射燃料并实现燃烧的燃料喷口(8)和点火塞(9)、高速气流入口(10)、废气排出口(11)；
所述激光增益装置的装置内框（2）外设有装置外框(7)，且装置内框(2)与装置外框(7)分离，装置内框（2）和装置外框(7)之间形成用于燃料燃烧的燃烧腔室(12)；
所述装置内框(2)用于固定增益介质（1）的位置及激光冷却液（4）的流动，所述装置外框(7)用于固定燃料喷口(8)及点火塞(9)；
装置内框(2)上设置有激光冷却液入口(5)和冷却液出口(6)，激光冷却液(4)由冷却液入口(5)注入到增益介质（1）和装置内框（2）之间的腔室中，一定速度流过增益介质带走热量后由冷却液出口(6)流出，实现同时对增益介质(1)和燃烧腔室(12)的冷却；
高速气流入口（10）用于向燃烧腔室(12)内冲入高速气流，用于补充燃烧过程中需要的氧气，也将燃烧后的高温废气带走，同时实现对燃烧腔室(12)的冷却。
2.根据权利要求1所述的一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，其特征在于，所述增益装置还包括增益介质固定支架(3)，用于将增益介质(1)固定安装在装置内框(2)内。
3.根据权利要求1所述的一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，其特征在于，所述装置内框（2）和装置外框(7)之间形成供燃料燃烧的燃烧腔室(12)，用于燃料在腔室内的可控燃烧。
4.根据权利要求1所述的一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，其特征在于，所述增益介质（1）的材料为晶体、陶瓷或玻璃，用于获取高激光增益。
5.根据权利要求1所述的一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，其特征在于，用于喷燃的燃料为液体燃料或压缩气体燃料，并且能够持续性的为喷燃提供燃料源；所述激光冷却液(4)为对泵浦光及激光无强吸收的液体。
6.根据权利要求1所述的一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，其特征在于，所述装置外框(7)上设置有一个或多个燃料喷口(8)和点火塞（9），并通过设计喷射量、喷射角度、点火时间实现燃料在开放式的燃烧腔室(12)内可控地持续地燃烧。
7.根据权利要求1所述的一种燃料喷燃泵浦的直接液冷高功率激光增益装置，其特征在于，在增益装置启动工作后，燃料通过固定在装置外框(7)上的燃料喷口(8)以高速、高压喷射进装置内框(2)和装置外框(7)之间的燃烧腔室(12)中，在燃料喷射进燃烧腔室(12)的一瞬间，位于装置外框(7)上的点火塞(9)对燃料进行点火燃烧，发出强光使增益介质实现上能级粒子数反转进而实现高功率激光输出。
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