CN113612103A - 一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，属于板条固体激光领域，包括板条增益介质，与该板条增益介质两侧大面相对的位置分别设有一冷却器，每个冷却器与板条增益介质之间固定连接，形成一密封腔体；冷却器的上方设置有一进水口和一出水口，当板条增益模块处于工作状态时，冷却液从进水口注入后在密封腔体内部直接流经两个大面，并从出水口流出，从而将板条产热带走。本发明可减小由于板条废热产生的局部连接应力引起的静态畸变和长期使用后热连接状态的退化，有效提升板条静态光束质量和板条增益模块长期使用的稳定性，能够对激光增益介质进行冷却；装夹工艺相对简单，提升装夹应变应力分布一致性。

Description

一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块
技术领域
本发明涉及板条固体激光领域，尤其是一种用于端泵浦固体板条激光的液体直接对称冷却板条增益模块。
背景技术
在板条激光器领域中，板条增益模块是激光器核心器件，而板条增益模块主要涉及到泵浦源、泵浦耦合、增益介质及介质热管理。其中在板条增益介质废热管理方面，连续或者高占空比板条增益介质经常通过热连接技术(如焊接)实现热管理，而通过热连接技术实现的散热方法在增益介质中较容易出现应力和应变不均匀的情况，导致板条静态波前畸变。在热加载情况下，会加剧增益介质的应力和应变不均匀性，对激光产生严重像差和退偏，甚至影响板条安全。在长时间重复热加载后，由于不停地重复应力分布变化和板条散热大面与冷却器连接处自然退化，会导致连接特性和散热特性变化，影响激光器稳定性。
在大面泵浦液冷激光器中，为了使得对泵浦光具有高透性，经常采用液体直接冷却大面的方式，该种泵浦方式由于泵浦光需要经过流体，其泵浦均匀性和冷却均匀性往往较难得到保证，热致波前畸变较大，而且泵浦光经过液体也会存在一定泵浦光损耗。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，能够对板条增益介质进行冷却，减小由于板条废热产生的局部连接应力引起的静态畸变和长期使用后热连接状态的退化，有效提升板条静态光束质量和板条增益模块长期使用的稳定性。
本发明采用的技术方案如下：
一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，包括板条增益介质10，与该板条增益介质10两侧大面相对的位置分别设有一冷却器20，每个冷却器20与板条增益介质10之间固定连接，形成一密封腔体；
冷却器20的上方设置有一进水口21和一出水口22，当板条增益模块处于工作状态时，冷却液从进水口21注入后在密封腔体内部直接流经板条增益介质10的两个大面，并从出水口22流出，从而将板条产热带走。
所述板条增益介质10包括中间的掺杂区11和两端的非掺杂区12，两个非掺杂区12位于板条增益介质10的两端并中心对称，且每个非掺杂区12的外端为楔形结构，以用于导入泵浦光。
每个冷却器20与板条增益介质10之间通过密封圈30固定连接。
所述密封圈30为闭合弹性密封圈，该密封圈30使冷却器20与板条增益介质10的大面弹性接触，形成密封闭合的矩形腔体、并限制冷却液在腔体中流动和冷却。
密封圈30在长度方向上至少要覆盖增益介质10的掺杂区11、并与非掺杂区12接触，在宽度方向上至少要覆盖增益介质10的掺杂区11。
在两个冷却器20的四周均匀排布有紧固螺丝孔，冷却器20通过密封圈30与板条增益介质10紧密接触后，再用紧固螺丝通过冷却器20上的螺丝孔将一对冷却器20紧固并使其受力均匀，使得板条增益介质10的大面、密封圈30和冷却器20形成一个密封的液体通道。
在密封圈30的宽度方向，密封圈30与板条增益介质10的边缘预留额外宽度。
非掺杂区12的楔形结构外部露出在冷却器20之外，其上包括泵浦光通光面和激光通光面，泵浦光通过泵浦通光面进入，并在板条增益介质10的掺杂区11实现粒子数反转，从而形成激光增益。
通过在双板条增益模块之间插入合适的石英旋转片，并通过调整后降低输出激光的退偏比例，提高线偏振光消光比。
非掺杂区12的楔形角结构的角度计算方式如下：
β＝sin-1(sinθ/n0),
γ＝π/2-α-β,
Figure BDA0003126396920000021
其中α为板条端面楔形角的角度，β为板条内折射角，θ为激光入射角，n0为板条增益介质折射率，Nb为大于零的偶整数，l为板条总长度(板条增益介质的两端尖角与尖角之间的长度)，t为板条厚度。
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，本发明提供的端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，可减小由于板条废热产生的局部连接应力引起的静态畸变和长期使用后热连接状态的退化，有效提升板条静态光束质量和板条增益模块长期使用的稳定性，能够对激光增益介质进行冷却，保证了有效的热管理，不仅热管理方式优秀，同时装置紧凑、小巧，满足多种应用场景使用；
2、本发明提供的端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，装夹工艺相对简单，并在多模块联合使用时采用一致的装夹工艺，提升装夹应变应力分布一致性，从而实现激光偏振态分布在不同增益模块中相对一致，提高线偏振光消光比。
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端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块的的结构示意图；
图2是本发明提供的非掺杂区楔形结构角度示意图；
图中：10-板条增益介质，11-掺杂区，12-非掺杂区，20-冷却体，21-进水口，22-出水口，30-密封圈。
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所示，图1示出了本发明的一个实施例的端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，该模块包括板条增益介质10，所述板条增益介质10包括中间的掺杂区11和两端的非掺杂区12。两个非掺杂区12对称放置于板条增益介质10的两端，且每个非掺杂区12的外端为楔形结构，以用于导入泵浦光。
与该板条增益介质10两侧大面相对的位置分别设有一冷却器20，每个冷却器20与板条增益介质10之间固定连接，形成一密封腔体。其中每个冷却器20的上方设置有一进水口21和一出水口22，且冷却器20内设有沿进水口21到出水口22的内部流道。当板条增益模块处于工作状态时，冷却液从进水口21注入后通过内部流道沿板条长度方向直接流经板条增益介质10的两个散热大面，并从出水口22流出，从而将板条产热带走。
其中，所述大面是指板条增益介质10上面积最大的一面，为板条产热最多的位置。
所述进水口21与出水口22的位置可根据实际需要进行设置，如可设置在同一水平线上，也可设置在两端，以能够完成冷却液的引入导出、并完成板条散热带走即可。
通过该实施例方式的散热可替代两个板条散热大面进行热连接(例如焊接)的冷却方式，从而减小端泵浦板条增益模块由于板条废热产生的局部连接应力引起的静态畸变和长期使用后热连接状态的退化，提升板条静态光束质量和板条增益模块长期使用的稳定性。
在两个冷却器20的四周均匀排布若干个紧固螺丝孔，其中一个冷却器20上是通孔，另一个上是螺纹孔，所述两个冷却器20通过一对密封圈30与板条增益介质10紧密接触后，再通过冷却器20的上孔用紧固螺丝和力矩扳手将一对冷却器20紧固并使其受力均匀，从而使得板条增益介质10的大面、密封圈30和冷却器20形成一个密封的液体通道。
所述密封圈30为闭合矩形弹性密封圈，一方面该密封圈30能使冷却器20与板条增益介质10的大面弹性接触，形成密封闭合的矩形腔体、并限制冷却液在腔体中流动和冷却，另一方面，该弹性密封圈30能减小板条增益介质10的装夹应力。
该密封圈30在长度方向上至少要覆盖增益介质10的掺杂区11、并与非掺杂区12接触，从而保证在长度方向上的产热区都被能冷却到；在密封圈30的宽度方向(图1垂直于纸面方向)上，也至少要覆盖增益介质10的掺杂区11。即该板条增益介质10大面在长度方向和宽度方向的产热区都被覆盖在密闭腔体内冷却液的直接冷却范围内。
此外，在密封圈30或板条增益介质10的宽度方向，密封圈30与板条增益介质10的边缘预留1mm-2mm的宽度，使得冷却器20与板条增益介质10充分压紧，以避免漏水。
非掺杂区12的楔形结构外部露出在冷却器20之外，其上包括泵浦光通光面和激光通光面，在实际操作中，泵浦光通过一对非掺杂区12的泵浦通光面进入，在板条增益介质10的掺杂区11实现粒子数反转，从而形成激光增益。
实施例2
由前述实施例得到的板条增益模块利用直接对称液冷冷却的结构实现对板条增益介质的大面散热的有效导出。在实际应用中，会同时使用两个或更多的板条增益模块以完成激光增益，本实施例提供一种用于端泵浦zigzag的多板条增益模块装置，其中所述板条增益模块为前述任一实施例中的具有对称直接液冷冷却结构的板条增益模块。并且在该装置中，每一个板条增益模块的结构相同、并采用相同的直接液冷装夹工艺，提升了装夹应变应力分布的一致性，也能够提高多个板条增益模块的装夹一致性。
具体而言，为了实现激光偏振态分布在不同板条增益模块中的相对一致，在应用上述多板条增益模块的高功率线偏振激光器设计方案中，可以通过在双板条增益模块之间插入合适的石英旋转片，并通过调整后降低输出激光的退偏比例，从而提高线偏振光消光比。
实施例3
如图1所示，板条增益模块中非掺杂区11的外端面为楔形结构，其楔形角处设有一定的角度，从而使泵浦光和激光分别从非掺杂区11楔形角结构的两个通光面进入。
如图2所示，在实际应用和操作中，对于该楔形角结构的角度的设置，需要根据入射激光、板条增益介质的参数来确定，具体角度计算方式如下：
β＝sin-1(sinθ/n0),
γ＝π/2-α-β,
Figure BDA0003126396920000051
其中α为板条端面楔形角的角度，β为板条内折射角，θ为激光入射角，n0为板条增益介质折射率，Nb为大于零的偶整数，l为板条总长度(板条增益介质的两端尖角与尖角之间的长度)，t为板条厚度。
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 (10)

1.一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，包括板条增益介质(10)，与该板条增益介质(10)两侧大面相对的位置分别设有一冷却器(20)，每个冷却器(20)与板条增益介质(10)之间固定连接，形成一密封腔体；
冷却器(20)的上方设置有一进水口(21)和一出水口(22)，当板条增益模块处于工作状态时，冷却液从进水口(21)注入后在密封腔体内部直接流经板条增益介质(10)的两个大面，并从出水口(22)流出，从而将板条产热带走。
2.如权利要求1所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，所述板条增益介质(10)包括中间的掺杂区(11)和两端的非掺杂区(12)，两个非掺杂区(12)位于板条增益介质(10)的两端并中心对称，且每个非掺杂区(12)的外端为楔形结构，以用于导入泵浦光。
3.如权利要求1所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，每个冷却器(20)与板条增益介质(10)之间通过密封圈(30)固定连接。
4.如权利要求1所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，所述密封圈(30)为闭合弹性密封圈，该密封圈(30)使冷却器(20)与板条增益介质(10)的大面弹性接触，形成密封闭合的矩形腔体、并限制冷却液在腔体中流动和冷却。
5.如权利要求1所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，密封圈(30)在长度方向上至少要覆盖增益介质(10)的掺杂区(11)、并与非掺杂区(12)接触，在宽度方向上至少要覆盖增益介质(10)的掺杂区(11)。
6.如权利要求1所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，在两个冷却器(20)的四周均匀排布有紧固螺丝孔，冷却器(20)通过密封圈(30)与板条增益介质(10)紧密接触后，再用紧固螺丝通过冷却器(20)上的螺丝孔将一对冷却器(20)紧固并使其受力均匀，使得板条增益介质(10)的大面、密封圈(30)和冷却器(20)形成一个密封的液体通道。
7.如权利要求1所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，在密封圈(30)的宽度方向，密封圈(30)与板条增益介质(10)的边缘预留额外宽度。
8.如权利要求1所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，非掺杂区(12)的楔形结构外部露出在冷却器(20)之外，其上包括泵浦光通光面和激光通光面，泵浦光通过泵浦通光面进入，并在板条增益介质(10)的掺杂区(11)实现粒子数反转，从而形成激光增益。
9.如权利要求1所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，通过在双板条增益模块之间插入合适的石英旋转片，并通过调整后降低输出激光的退偏比例，提高线偏振光消光比。
10.如权利要求2所述的一种端泵浦液体直接对称冷却板条增益模块，其特征在于，非掺杂区(12)的楔形角结构的角度计算方式如下：
β＝sin-1(sinθ/n0),
γ＝π/2-α-β,
Figure FDA0003126396910000021
其中α为板条端面楔形角的角度，β为板条内折射角，θ为激光入射角，n0为板条增益介质折射率，Nb为大于零的偶整数，l为板条总长度，t为板条厚度。
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