CN114649725A - 固体激光器及其内各区域温度控制调节的结构以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体激光器技术领域，提供了一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，包括可流经高温光学元件的加热管路和可流经低温光学元件的冷却管路，所述加热管路和所述冷却管路由供温单元分别供给热气和冷气，向所述供温单元通入高压气体。还提供一种固体激光器，包括高温光学元件和低温光学元件，还包括上述的用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，所述加热管路流经所述高温光学元件，所述冷却管路流经所述低温光学元件。还提供一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的方法。本发明通过两路设计分别给高温光学元件和低温光学元件供给热气和冷气，其中热气和冷气的来源是供温单元将高压气体处理得到，避免了现有技术中的缺陷。

Description

固体激光器及其内各区域温度控制调节的结构以及方法

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，具体为一种固体激光器及其内各区域温度控制调节的结构以及方法。

背景技术

近年来固体激光器在汽车制造，医疗，新能源等前沿领域有了广泛的应用。随着激光应用领域的拓展，对激光器如稳定性，功率，维护等方面的要求也越来越高。激光器内部激光增益介质(激光晶体)是固体激光器中重要的核心器件，随着激光输出功率要求的提高，增益介质承受的越来越高的泵浦功率，由此产生的无用热量越来越高；无用热量给激光的光斑输出模式及能量稳定性带来了诸多不良影响，因此需要对其进行及时有效的散热。然而，激光器中的非线性光学器件，光学调制器件使用的也越来越来频繁，使得激光器中有某些区域必须保持在温度相对较高的状态。

为了满足激光器内不同区域的不同温控需求，同时保证激光输出性能良好，往往需要我们对激光器中的例如增益介质等发热部分进行有效的冷却，而对工作在温度较高的非线性晶体进行一定的加热。行业内普遍对激光晶体座进行通水冷却，通过水流带走热量，同时不可避免的是机器整体有一个温降。对于激光器内需要加热的非线性晶体使用电热阻丝加热，同时不可避免的是机器整体有一个温升。

目前这种系统有许多弊端：如激光器光学器件通光表面大量使用的光学膜层，非线性晶体如LBO，BBO等易受潮晶体，这些器件对环境的洁净度，温度及湿度有要求非常严格，特别是湿度要求＜2％(RH)。水冷散热不可避免的会对激光器内部环境引入水汽，对激光器的长期稳定运行造成影响。同时水冷系统漏液、液体损耗等一系列可靠性及维护性问题，对与使用激光器的自动化产线的高效运行十分不利。通过电阻丝或着TEC(半导体制冷片)对器件加热需要设计复杂的加热及绝热结构，同时由于制热器件和制冷器件尺寸的限制，高温器件升温及温度调控速度较慢，低温器件的降温和调控也较慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体激光器及其内各区域温度控制调节的结构以及方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，包括可流经高温光学元件的加热管路和可流经低温光学元件的冷却管路，所述加热管路和所述冷却管路由供温单元分别供给热气和冷气，向所述供温单元通入高压气体。

进一步，所述供温单元包括涡流室，所述涡流室的其中一端出气口通过热端管与所述加热管路连通，所述涡流室的另外一端出气口通过冷端管与所述冷却管路连通，所述热端管中设有供热气进入到所述加热管路并阻止冷气进入到所述加热管路中的调节阀。

进一步，所述冷端管中设有冷端分离板。

进一步，所述供温单元还包括用于将高压气体供给至所述涡流室的进气喷嘴。

进一步，还包括为所述高温光学元件加热的加热元件。

进一步，还包括冷却所述低温光学元件的制冷元件。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种固体激光器，包括高温光学元件和低温光学元件，还包括上述的用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，所述加热管路流经所述高温光学元件，所述冷却管路流经所述低温光学元件。

进一步，所述高温光学元件和所述低温光学元件均设于激光器底板上，所述加热管路和所述冷却管路至少部分敷设在所述激光器底板上。

进一步，所述高温光学元件和所述低温光学元件均有多个，所述加热管路依次流经各所述高温光学元件，所述冷却管路依次流经各所述低温光学元件。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的方法，包括如下步骤：

S1，预先敷设加热管路和冷却管路，并使所述加热管路流经高温光学元件，使所述冷却管路流经低温光学元件；

S2，采用涡流室给所述加热管路和冷却管路分别供给热气和冷气，具体是向所述涡流室中通入高压气体，高压气体在涡流室中形成旋转气流，所述旋转气流沿热端管以阿基米德曲线旋转前进，所述旋转气流的形成的热气进入到所述加热管路中，而形成的冷气被所述热端管中的调节阀阻挡并返回至所述冷却管路中；

S3，经过所述加热管路中的热气将高温光学元件加热后从热排气口排出，经过所述冷却管路中的冷气将低温光学元件加热后从冷排气口排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过两路设计分别给高温光学元件和低温光学元件供给热气和冷气，其中热气和冷气的来源是供温单元将高压气体处理得到，避免了现有技术中采用水或者其他液态制冷剂带来的缺陷，避免了水汽和制冷剂的泄露风险，拓宽了了激光器的应用领域，如在食品药品干燥生产环境中使用，在精密半导体领域不超洁净环境中使用。

2、通过相对巧妙的气道设计及合理的光学器件排布使不同的温度范围工作的光学器件能够工作在合适温度的区域内。

3、同时配合加热或冷却元件能够实现光学器件精确温度控制和调节。

4、相对现有的技术本发明使激光器内部处于干燥洁净环境中，有效保证了光学镀膜器件以及易潮解光学器件的使用寿命。

5、整体器件相对较少，易于生产加工，有效降低了激光器生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构在固体激光器上的示意图(第一种形式)；

图2为本发明实施例二提供的一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构在固体激光器上的示意图(第二种形式)；

图3为本发明实施例一提供的一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构的高压气体进入到涡流室后并输出为热气和冷气的示意图；

附图标记中：1-加热元件；2-高温光学元件；3-加热管路；4-冷气管路；5-进气喷嘴；6-涡流室；7-冷端管；8-热端管；9-调节阀；10-激光器底板；11-制冷元件；12-低温光学元件；13-热排气口；14-冷排气口；15-冷端分离板；A-高压气体；B-冷气；C-热气。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，包括可流经高温光学元件2的加热管路3和可流经低温光学元件12的冷却管路4，所述加热管路3和所述冷却管路4由供温单元分别供给热气C和冷气B，向所述供温单元通入高压气体A。在本实施例中，通过两路设计分别给高温光学元件2和低温光学元件12供给热气C和冷气B，其中热气C和冷气B的来源是供温单元将高压气体A处理得到，避免了现有技术中采用水或者其他液态制冷剂带来的缺陷，避免了水汽和制冷剂的泄露风险，拓宽了了激光器的应用领域，如在食品药品干燥生产环境中使用，在精密半导体领域不超洁净环境中使用。具体地，其中供温单元可以将高压气体A分成热气C和冷气B，然后分别供应至加热管路3和冷却管路4，如此即可对加热管路3上的高温光学元件2进行升温处理，可对冷却管路4上的低温光学元件12进行降温处理。优选的，为达到一定的制冷和制热效果气压一般＞0.4MPa。该高压气体A可以但不限于洁净干燥的空气，二氧化碳气体，氮气等。输入高压气体A的方式可以但不限于高压气瓶或气体压缩机。优选的，可以通过调节输入气压及流量控制需要管路的制冷量及制热量。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1、图2和图3，所述供温单元包括涡流室6，所述涡流室6的其中一端出气口通过热端管8与所述加热管路3连通，所述涡流室6的另外一端出气口通过冷端管7与所述冷却管路4连通，所述热端管8中设有供热气C进入到所述加热管路3并阻止冷气B进入到所述加热管路3中的调节阀9。在本实施例中，采用涡流室6来接收高压气体A，高压气体A可以在涡流室6中形成旋转气流，高速旋转气体会沿着热端管8以阿基米德曲线旋转前进，旋转气体沿着热端管8外壁部分流动的气体速度快温度高，而该外围热气C经由调节阀9和热端管8之间的孔隙进入到加热管路3中，而旋转气体靠近中心部分的气体运动慢温度低，中心冷气B就会由调节阀9阻挡沿相反方向流动，从而经由冷端分离板15从冷端管7进入到冷却管路4中，整个过程的原理如图3所示，小尺寸箭头是冷气B，大尺寸箭头是热气C，热气C在外侧，冷气B在中心。当然除了采用这种分离的方式以外，现有分离方式也是可行的，然后通过管路的形式输送至加热管路3和冷却管路4即可，本实施例对此不作限定。优选的，可以通过调节调节阀9与热端管8之间的空隙大小调节制冷量和制热量。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述供温单元还包括用于将高压气体A供给至所述涡流室6的进气喷嘴5。在本实施例中，高压气体A可以在进气喷嘴5中膨胀加速，然后沿切线方向进入到涡流室6中形成旋转气流。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，本结构还包括为所述高温光学元件2加热的加热元件1。本结构还包括冷却所述低温光学元件12的制冷元件11。在本实施例中，除了采用加热管路3和冷却管路4来分别加热和冷却以外，还可以采用加热元件1和制冷元件11来辅助加热和冷却，提高加热和制冷的效率。该加热元件1可以是但不限于是加热电阻，该制冷元件11可以是但不限于是半导体制冷片。

实施例二：

请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供一种固体激光器，包括高温光学元件2和低温光学元件12，还包括上述的用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，所述加热管路3流经所述高温光学元件2，所述冷却管路4流经所述低温光学元件12。在本实施例中，将上述的用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构用在固体激光器中，通过两路设计分别给高温光学元件2和低温光学元件12供给热气C和冷气B，其中热气C和冷气B的来源是供温单元将高压气体A处理得到，避免了现有技术中采用水或者其他液态制冷剂带来的缺陷，避免了水汽和制冷剂的泄露风险，拓宽了了激光器的应用领域，如在食品药品干燥生产环境中使用，在精密半导体领域不超洁净环境中使用。具体地，其中供温单元可以将高压气体A分成热气C和冷气B，然后分别供应至加热管路3和冷却管路4，如此即可对加热管路3上的高温光学元件2进行升温处理，可对冷却管路4上的低温光学元件12进行降温处理。优选的，为达到一定的制冷和制热效果气压一般＞0.4MPa。该高压气体A可以但不限于洁净干燥的空气，二氧化碳气体，氮气等。输入高压气体A的方式可以但不限于高压气瓶或气体压缩机。优选的，可以通过调节输入气压及流量控制需要管路的制冷量及制热量。其中，高温光学元件2和低温光学元件12是LBO/BBO晶体，激光增益介质等，高温光学元件2和低温光学元件12中包含温度探测器件如温敏电阻。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述高温光学元件2和所述低温光学元件12均设于激光器底板10上，所述加热管路3和所述冷却管路4至少部分敷设在所述激光器底板10上。所述高温光学元件2和所述低温光学元件12位于所述激光器底板10的不同区域。在本实施例中，激光器底板10可以但不限于是铝合金，铜合金，钛合金等材料。此时可以细化出两种形式。

如图1所示，第一种形式：加热管路3和冷却管路4全部设在激光器底板上。在激光器底板10中加工进气喷嘴5；涡流室6；冷端管7；热端管8；加热管路3；冷却管路4，热排气口13；冷排气口14。底板10封装前将加工好的调节阀9和冷端分离板15插入到图1所示位置。高温光学元件2和低温光学文件12分别安装在加热管路3和冷却管路4上方；同时高温光学元件2与加热元件1相连，低温光学元件12与制冷元件11相连。装置工作时将高压气体由喷嘴5中导入，压缩气体在喷嘴5里膨胀加速，沿切线方向进入涡流室6中形成旋转气流，高速旋转气体沿热端管8以阿基米德曲线旋转前进。旋转气体沿热端管8外壁部分速度快温度高，外围热气经由调节阀9热端管8之间的空隙进入加热管路3。旋转气体靠中心部分运动慢温度低，中心冷气经由调节阀9阻挡沿相反方向，经由冷端分离板15从冷端管流入冷却管路4。高温气体通过加热管路4导入高温光学器件2附近并由热排气口13排出；低温气体通过冷却管路4导入低温光学原件12附近并由冷排气口14排出。高温光学元件2通过加热管路3获得一定基础温度后再经由加热元件进行加热控温；低温光学元件12通过冷却管路4进行在较低温度基础上进行制冷元件12的冷却控温。

如图2所示，第二种形式：加热管路3和冷却管路4只有部分设在激光器底板上。设计进气喷嘴5；涡流室6；冷端管7；热端管8；加热管路3；冷却管路4，热排气口13；冷排气口14。单独加工涡流管。加工好后将调节阀9和冷端分离板15装入入到图2所示位置。加热管路3和冷却管路4分别单独通过高温光学元件2和低温光学元件12；同时高温光学元件2与加热元件1相连，低温光学元件12与制冷元件11相连。装置工作时将高压气体由喷嘴5中导入，热气经由调节阀9热端管8之间的空隙进入加热管路3。冷气经由调节阀9阻挡沿相反方向，经由冷端分离板15从冷端管流入冷却管路4。高温气体通过加热管路4导入高温光学器件2后由热排气口13排出；低温气体通过冷却管路4导入低温光学原件12后由冷排气口14排出。高温光学元件2通过加热管路3获得一定基础温度后再经由加热元件进行加热控温；低温光学元件12通过冷却管路4进行在较低温度基础上进行制冷元件12的冷却控温。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述高温光学元件2和所述低温光学元件12均有多个，所述加热管路3依次流经各所述高温光学元件2，所述冷却管路4依次流经各所述低温光学元件12。在本实施例中，加热管路3和冷却管路4可根据实际控温元件的多少适当的延长或缩短，增加或减少。加热管路3和冷却管路4可传到控温的效果进行弯曲和变形。

请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的方法，基于上述的结构。具体地，其包括如下步骤：S1，预先敷设加热管路3和冷却管路4，并使所述加热管路3流经高温光学元件2，使所述冷却管路4流经低温光学元件12；S2，采用涡流室6给所述加热管路3和冷却管路4分别供给热气C和冷气B，具体是向所述涡流室6中通入高压气体A，高压气体A在涡流室6中形成旋转气流，所述旋转气流沿热端管8以阿基米德曲线旋转前进，所述旋转气流的形成的热气C进入到所述加热管路3中，而形成的冷气B被所述热端管8中的调节阀9阻挡并返回至所述冷却管路4中；S3，经过所述加热管路3中的热气C将高温光学元件2加热后从热排气口13排出，经过所述冷却管路4中的冷气B将低温光学元件12加热后从冷排气口14排出。在本实施例中，通过两路设计分别给高温光学元件2和低温光学元件12供给热气C和冷气B，其中热气C和冷气B的来源是供温单元将高压气体A处理得到，避免了现有技术中采用水或者其他液态制冷剂带来的缺陷，避免了水汽和制冷剂的泄露风险，拓宽了了激光器的应用领域，如在食品药品干燥生产环境中使用，在精密半导体领域不超洁净环境中使用。具体地，其中供温单元可以将高压气体A分成热气C和冷气B，然后分别供应至加热管路3和冷却管路4，如此即可对加热管路3上的高温光学元件2进行升温处理，可对冷却管路4上的低温光学元件12进行降温处理。优选的，为达到一定的制冷和制热效果气压一般＞0.4MPa。该高压气体A可以但不限于洁净干燥的空气，二氧化碳气体，氮气等。输入高压气体A的方式可以但不限于高压气瓶或气体压缩机。优选的，可以通过调节输入气压及流量控制需要管路的制冷量及制热量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，其特征在于：包括可流经高温光学元件的加热管路和可流经低温光学元件的冷却管路，所述加热管路和所述冷却管路由供温单元分别供给热气和冷气，向所述供温单元通入高压气体。

2.如权利要求1所述的一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，其特征在于：所述供温单元包括涡流室，所述涡流室的其中一端出气口通过热端管与所述加热管路连通，所述涡流室的另外一端出气口通过冷端管与所述冷却管路连通，所述热端管中设有供热气进入到所述加热管路并阻止冷气进入到所述加热管路中的调节阀。

3.如权利要求2所述的一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，其特征在于：所述冷端管中设有冷端分离板。

4.如权利要求2所述的一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，其特征在于：所述供温单元还包括用于将高压气体供给至所述涡流室的进气喷嘴。

5.如权利要求1所述的一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，其特征在于：还包括为所述高温光学元件加热的加热元件。

6.如权利要求1所述的一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，其特征在于：还包括冷却所述低温光学元件的制冷元件。

7.一种固体激光器，包括高温光学元件和低温光学元件，其特征在于：还包括如权利要求1-6任一所述的用于固体激光器内各区域温度控制调节的结构，所述加热管路流经所述高温光学元件，所述冷却管路流经所述低温光学元件。

8.如权利要求7所述的固体激光器，其特征在于：所述高温光学元件和所述低温光学元件均设于激光器底板上，所述加热管路和所述冷却管路至少部分敷设在所述激光器底板上。

9.如权利要求7所述的固体激光器，其特征在于：所述高温光学元件和所述低温光学元件均有多个，所述加热管路依次流经各所述高温光学元件，所述冷却管路依次流经各所述低温光学元件。

10.一种用于固体激光器内各区域温度控制调节的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，预先敷设加热管路和冷却管路，并使所述加热管路流经高温光学元件，使所述冷却管路流经低温光学元件；

S2，采用涡流室给所述加热管路和冷却管路分别供给热气和冷气，具体是向所述涡流室中通入高压气体，高压气体在涡流室中形成旋转气流，所述旋转气流沿热端管以阿基米德曲线旋转前进，所述旋转气流的形成的热气进入到所述加热管路中，而形成的冷气被所述热端管中的调节阀阻挡并返回至所述冷却管路中；

S3，经过所述加热管路中的热气将高温光学元件加热后从热排气口排出，经过所述冷却管路中的冷气将低温光学元件加热后从冷排气口排出。

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