CN113690721A - 一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，涉及激光器技术领域，包括热沉组件、连接杆和调整架板。热沉组件包括上热沉和下热沉；上热沉的第一面上设置第一凹槽，下热沉的第二面上设置第二凹槽，当上热沉与下热沉对合时，第一凹槽与第二凹槽对合以构成聚光腔，聚光腔内容置光学晶体；热沉组件通过连接杆与调整架板连接；连接杆为三段弯折结构。本发明通过调整架板来调整热沉和光学晶体的方向，以通过调节热沉的方向来调节光学晶体的位置，尽可能地使光学晶体在水平和竖直方向上与整个光路重合，以便泵浦光能够更多耦合进光学晶体中被吸收利用，进而减少热耗，提高散热效率，同时提高泵浦光的耦合效率。

Description

一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置
本发明是发明名称为“一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置”的分案申请，其中，母案的申请号为201710048096.2，申请日为2017.01.20。
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置。
背景技术
固体激光器具有能量大、峰值功率高等优势，特别是激光二极管泵浦的固体激光器，更是具有体积小、重量轻、光束质量好、寿命长、运转灵活等优点，激光二极管泵浦的固体激光器已成为近年来固体激光技术研究和发展的热点之一，在工业加工、激光化学、光谱分析、激光测距、医疗卫生和军事领域有着广泛应用，对经济发展、科技进步和人民生活水平提高起到巨大推动作用。
然而，由于泵浦功率未被完全利用而产生的热效应，是制约固体激光器实现高功率、高效率和高光学质量的瓶颈，一直受到科研人员关注。相比于传统的灯泵固体激光器激光介质中产生的大量不良影响热耗，二极管泵浦的固体激光器虽然降低了光学晶体热耗，但是并未完全消除。因此，需要采用有效的、不良影响小的方法导出光学晶体内的热量以实现对光学晶体的散热。
常用的散热方法有使用气体、液体、混合液、热管、微通道等对激光介质散热。其中，在端面泵浦固体激光器中，将热沉夹持在光学晶体表面，是相对简单又有效地导出其中热量的方式之一。热沉通常采用热导率较高的金属材料，散热的过程实质是通过热沉置换出尽可能多的热量。常规的水冷光学晶体散热的热沉出于加工考虑，通常使用简单的通水结构设计，一般为直进直出，其散热效率会打折扣。
因此，亟需一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，通过调节简单低廉的热沉来实现高效散热。
发明内容
本发明的目的是提供一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，以解决固体激光器中光学晶体热耗的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，包括热沉组件、连接杆和调整架板；
所述热沉组件包括上热沉和下热沉；所述上热沉的第一面上设置第一凹槽，所述上热沉的第一面为所述上热沉与所述下热沉接触的一面；所述下热沉的第二面上设置第二凹槽，所述下热沉的第二面为所述下热沉与所述上热沉接触的一面，且所述第二凹槽与所述第一凹槽对应；
当所述上热沉与所述下热沉对合时，所述第一凹槽与所述第二凹槽对合以构成聚光腔，所述聚光腔内容置光学晶体；
所述热沉组件通过所述连接杆与所述调整架板连接；
所述连接杆为三段弯折结构，所述连接杆包括第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆；所述第一连接杆设置在所述调整架板上，且所述第一连接杆为竖直设置；所述第二连接杆与所述第一连接杆呈90度连接；所述第三连接杆设置在所述热沉组件上，且所述第三连接杆与所述第二连接杆呈钝角连接；
所述调整架板用于多维调节。
可选地，所述第三连接杆与所述第二连接杆呈100～150度连接。
可选地，所述多维度可调固体激光器增益介质冷却装置还包括底座；
所述调整架板通过所述底座固定在光学实验平台上。
可选地，所述上热沉和所述下热沉的制作材料均为金属铜或紫铜；
当所述上热沉和所述下热沉的制作材料均采用紫铜时，所述上热沉和所述下热沉表面还镀有金层。
可选地，所述上热沉的第一端面设置有半圆形的内凹，所述上热沉的第一端面为上热沉垂直于光学晶体通光的端面，所述上热沉的第一端面的数量为2个；所述下热沉的第二端面设置有半圆形的内凹，所述下热沉的第二端面为下热沉垂直于光学晶体通光的端面，所述下热沉的第二端面的数量为2个。
可选地，所述上热沉和所述下热沉的内部均设有通水孔道，且所述通水孔道靠近所述聚光腔；
所述通水孔道用于与外部水冷源连接。
可选地，所述光学晶体外包裹有铟片。
可选地，所述调整架板上设置调整旋钮，所述调整架板用于通过所述调整旋钮进行维度调节，以实现对所述聚光腔的俯仰、偏摆的调节。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
通过上热沉与下热沉对合连接构成热沉组件，并且，上热沉与下热沉上设置的凹槽，在上热沉与下热沉对合之后构成聚光腔，聚光腔内容置光学晶体。热沉组件还通过三段弯折结构的连接杆与调整架板连接，本发明通过调整架板来调整热沉和光学晶体的方向，以通过调节热沉的方向来调节光学晶体的位置，尽可能地使光学晶体在水平和竖直方向上与整个光路重合，以便泵浦光能够更多耦合进光学晶体中被吸收利用，进而减少热耗，提高散热效率，同时提高泵浦光的耦合效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的结构示意图。
图1为本发明多维度可调固体激光器增益介质冷却装置的结构示意图；
图2为本发明多维度可调固体激光器增益介质冷却装置的聚光腔沿光轴方向的局部剖面图。
符号说明：
1—连接杆，11—第一连接杆，12—第二连接杆，13—第三连接杆，2—调整架板，3—上热沉，4—下热沉，5—聚光腔，6—光学晶体，7—内凹，8—第一通水孔道，9—第二通水孔道，10—底座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，以解决固体激光器中光学晶体热耗的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图2所示，本发明提供一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，包括热沉组件、连接杆1和调整架板2；所述热沉组件包括上热沉3和下热沉4；所述上热沉3的第一面上设置第一凹槽，所述上热沉3的第一面为所述上热沉3与所述下热沉4接触的一面；所述下热沉4的第二面上设置第二凹槽，所述下热沉4的第二面为所述下热沉4与所述上热沉3接触的一面，且所述第二凹槽与所述第一凹槽对应；当所述上热沉3与所述下热沉4对合时，所述第一凹槽与所述第二凹槽对合以构成聚光腔5，所述聚光腔5内容置光学晶体6。具体地，由上热沉3与下热沉4对合后固定连接构成热沉组件；光学晶体6为激光光学晶体或者非线性变频光学晶体。
所述热沉组件通过所述连接杆1与所述调整架板2连接；所述连接杆1为三段弯折结构，所述连接杆1包括第一连接杆11、第二连接杆12和第三连接杆13；所述第一连接杆11设置在所述调整架板2上，所述第一连接杆11与所述调整架板2通过螺钉固定，且所述第一连接杆11为竖直设置；所述第二连接杆12与所述第一连接杆11呈90度连接，类似L型的链接装置；所述第三连接杆13设置在所述热沉组件上，通过螺钉固定在一起，且所述第三连接杆13与所述第二连接杆12呈钝角连接。具体地，上述钝角根据激光光路的高度大致设计在100～150度之间，即所述第三连接杆13与所述第二连接杆12呈100～150度连接。进一步地，连接杆1的材料为铝或者铁等金属，连接杆1的厚度在3～6毫米之间。
所述调整架板2用于多维调节，具体地，调整架板2为多维调整架，热沉组件通过连接杆1与多维调整架的可调整部分连接。在本实施例中，所述多维度可调固体激光器增益介质冷却装置还包括底座10；所述调整架板2通过所述底座10固定在光学实验平台上；底座10通过螺钉固定在光学平台上。具体的，底座固定的位置，由激光光路的大致走向确定。
进一步地，调节多维调整架底座在光路中的前后位置，可以大范围地调整晶体在光路中的位置。
所述上热沉3和所述下热沉4的制作材料均为金属铜或紫铜；当所述上热沉3和所述下热沉4的制作材料均采用导热系数为386.4W/mK的紫铜时，为防止铜氧化，所述上热沉3和所述下热沉4表面还镀有金层。金的导热系数为317W/mK，在上热沉3和下热沉4表面镀有金层，保证了上下热沉的高导热系数，从而在材料方面首先保证了可以对晶体进行有效散热。
所述上热沉3的第一端面设置有半圆形的内凹7，所述上热沉3的第一端面为上热沉3垂直于光学晶体通光的端面，所述上热沉3的第一端面的数量为2个；所述下热沉4的第二端面设置有半圆形的内凹，所述下热沉4的第二端面为下热沉4垂直于光学晶体通光的端面，所述下热沉4的第二端面的数量为2个。本发明具体实施例中，上热沉3、下热沉4各自凹槽两端，即垂直于晶体通光的两个端面上，分别设置一个半径约3.5mm的半圆形内凹，内凹深度为3～5mm，通过设置内凹防止光学晶体6表面由于触碰造成的污染等不良影响。
且在本发明具体实施例中，上热沉3、下热沉4的尺寸都为10mm×20mm×18mm，相接触的两接触面即上热沉3的第一面、下热沉4的第二面分别设置有90°凹槽，内凹截面的尺寸为2mm×2mm～5mm×5mm。上热沉3与下热沉4组合后形成放置光学晶体的长方体的聚光腔5，放置的光学晶体6的形状也是长方体。如果将90°凹槽设计成圆弧状凹槽，那么能够放置形状是圆柱的激光棒。
在本实施例中，所述上热沉3和所述下热沉4的内部均设有通水孔道，其中，上热沉3中设置第一通水孔道8，下热沉4中设置第二通水孔道9。考虑到距离需要被散热的光学晶体6越近，热量传到的速度越快，越有利于散热，将第一通水孔道8和第二通水孔道9的直径设计为5～10mm，且第一通水孔道8和第二通水孔道9均靠近所述聚光腔5。所述通水孔道用于与外部水冷源连接。
由于第一通水孔道8、第二通水孔道9的直径根据聚光腔5的尺寸来定，通常聚光腔5的尺寸保持在4mm×4mm以下，则第一通水孔道8和第二通水孔道9的直径通常可以达到6mm以上。此外，双通水孔设计，也可以提高散热的效率。
具体地，第一通水孔道8、第二通水孔道9的两端分别连接水嘴，水嘴上缠了生料带防止漏水、渗水等情况，通过水嘴再与水管连接，之后通过水管连接到水冷机上，由水冷机进行温控调节实现散热。
在本发明具体实施例中，上热沉3、下热沉4贴合后，采用四个螺钉对上热沉和下热沉进行紧固连接；为了使得两热沉装置的聚光腔之间不留缝隙，光学晶体6周围包裹了一层厚度约为0.1mm的铟片。
所述调整架板2上设置调整旋钮，所述调整架板2用于通过所述调整旋钮进行维度调节，以实现对所述聚光腔的俯仰、偏摆的调节，最终实现晶体在光路中的多维度、精细的方向调节。为了提高灵敏度，调整板架2直接采用高精度的光学调整架即可实现。
本发明的热沉装置尤其适合在端面泵浦固体激光器中，不但可以有效地进行水冷散热，同时，可以对晶体在光路中的方向和位置进行精准而方便快捷的调节。
相对于现有技术，本发明还具有以下优点：
(1)本发明利用调整架板实现热沉和光学晶体的方向调整，通过调节热沉的方向来调节光学晶体的位置，使光学晶体在水平和竖直方向上与整个光路重合，以便泵浦光能够更多耦合进光学晶体中被吸收利用，进而减少热耗，提高散热效率，同时提高泵浦光的耦合效率。
(2)本发明中光学晶体热沉易于加工、组装，在经费、条件有限情况下，更适合实验室用于探索试验。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，其特征在于，所述多维度可调固体激光器增益介质冷却装置包括热沉组件、连接杆和调整架板；
所述热沉组件包括上热沉和下热沉；所述上热沉的第一面上设置第一凹槽，所述上热沉的第一面为所述上热沉与所述下热沉接触的一面；所述下热沉的第二面上设置第二凹槽，所述下热沉的第二面为所述下热沉与所述上热沉接触的一面，且所述第二凹槽与所述第一凹槽对应；
当所述上热沉与所述下热沉对合时，所述第一凹槽与所述第二凹槽对合以构成聚光腔，所述聚光腔内容置光学晶体；
所述热沉组件通过所述连接杆与所述调整架板连接；
所述连接杆为三段弯折结构，所述连接杆包括第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆；所述第一连接杆设置在所述调整架板上，且所述第一连接杆为竖直设置；所述第二连接杆与所述第一连接杆呈90度连接；所述第三连接杆设置在所述热沉组件上，且所述第三连接杆与所述第二连接杆呈钝角连接；
所述调整架板用于多维调节。
2.根据权利要求1所述的多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，其特征在于，所述第三连接杆与所述第二连接杆呈100～150度连接。
3.根据权利要求1所述的多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，其特征在于，所述多维度可调固体激光器增益介质冷却装置还包括底座；
所述调整架板通过所述底座固定在光学实验平台上。
4.根据权利要求1所述的多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，其特征在于，所述上热沉和所述下热沉的制作材料均为金属铜或紫铜；
当所述上热沉和所述下热沉的制作材料均采用紫铜时，所述上热沉和所述下热沉表面还镀有金层。
5.根据权利要求1所述的多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，其特征在于，所述上热沉的第一端面设置有半圆形的内凹，所述上热沉的第一端面为上热沉垂直于光学晶体通光的端面，所述上热沉的第一端面的数量为2个；所述下热沉的第二端面设置有半圆形的内凹，所述下热沉的第二端面为下热沉垂直于光学晶体通光的端面，所述下热沉的第二端面的数量为2个。
6.根据权利要求1所述的多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，其特征在于，所述上热沉和所述下热沉的内部均设有通水孔道，且所述通水孔道靠近所述聚光腔；
所述通水孔道用于与外部水冷源连接。
7.根据权利要求1所述的多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，其特征在于，所述光学晶体外包裹有铟片。
8.根据权利要求1所述的多维度可调固体激光器增益介质冷却装置，其特征在于，所述调整架板上设置调整旋钮，所述调整架板用于通过所述调整旋钮进行维度调节，以实现对所述聚光腔的俯仰、偏摆的调节。
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