CN114883895B - 一种超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，涉及高能激光技术领域。该超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统包括：用于产生激光振荡反馈的激光谐振腔、用于获得高增益的浸入式激光增益模块、用于输出泵浦光的复合冷却泵浦模块，所述浸入式激光增益模块和复合冷却泵浦模块共用一套复合式冷却循环系统。与现有技术相比，本发明的激光系统创新性地通过将一套冷却循环系统同时实现了对增益晶体产热及泵浦源产热的多点热源的有效冷却，对激光增益介质进行冷却保证了有效的热管理。另一方面本发明的激光系统将多点热源的系统产热蓄存于热相变材料，在实现有效热管理的同时极大地提高了系统的紧凑度，大幅度减小了系统体积和重量。

Description

一种超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统
技术领域
本发明涉及高能激光技术领域，尤其是一种超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统。
背景技术
高平均功率全固态激光在前沿科学研究、国民经济、国家安全等领域发挥着重要作用，是激光领域的研究热点和重要方向。随着激光功率增大而导致的严重热效应成了限制全固态激光器获得高平均功率、高光束质量激光输出的核心问题。主振荡功率放大器是实现高功率固体激光输出的有效方式，常见的是高功率板条放大器，板条放大器以“之”字形光路穿过板条，可以实现像差自补偿。但是板条产热密度高难以实现有效热管理，且通光口径小导致各级放大之间需要采用复杂的4f系统进行相传递，光路复杂，系统庞大，稳定性差。因此，为了支撑全固态高功率激光发展，需要采用新的激光放大构型。
浸入式液冷是一种有效的热管理方式，在这种高效热管理的支撑下，可以将多片增益介质进行阵列式排列，实现分布式增益。这种增益方式的优点通过将产热均匀分配到阵列式堆叠的多片激光增益介质上，降低单片增益晶体热密度，采用液体直接冷却的方式有效实现热管理。但是现有技术中通常激光增益模块和二极管泵浦源分别采用单独的冷却，虽然可有效解决系统的热管理，但依然采用多冷却回路，最终导致激光系统相对复杂，难以满足一些需要超紧凑激光系统的应用场景。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供了一种超紧凑轻量复合冷却式浸入式激光系统，实现有效热管理的同时实现激光器的超紧凑化和小型化。
本发明采用的技术方案如下：
一种超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，所述高能激光系统包括：用于产生激光振荡反馈的激光谐振腔、用于获得高增益的浸入式激光增益模块、用于输出泵浦光的复合冷却泵浦模块，所述浸入式激光增益模块和复合冷却泵浦模块共用一套复合式冷却循环系统。
所述浸入式激光增益模块包括多片阵列式固定堆叠的增益介质晶体，各片增益介质晶体之间形成一定厚度的流道，通过在流道内流动的激光冷却液将增益介质晶体的表面进行冷却。
增益介质晶体的前端和后端分别设置与增益介质晶体厚度一致的增益模块换热翅片，每一片增益模块换热翅片内储存有一定量的相变冷却材料。
所述复合冷却泵浦模块包括泵浦源复合冷板、尾纤泵浦源、尾纤泵浦源传输光纤5、循环泵、循环管路、准直端帽。
所述泵浦源复合冷板的内部也设置有复合冷板换热翅片，且复合冷板换热翅片内部也储存有一定量的相变冷却材料。
所述共用一套复合式冷却循环系统是指：泵浦源复合冷板与浸入式激光增益模块共用激光冷却液，激光冷却液在循环泵的作用下经过增益模块换热翅片冷却后（此时从增益介质晶体带出的产热热量快速置换进换热翅片中的相变冷却材料）、再经循环管路流入泵浦源复合冷板中，同时泵浦源复合冷板表面的尾纤泵浦源产生的热量吸收和带走，同时尾纤泵浦源中的热量被传递并交换进热相变冷却材料中。
如此循环往复，形成一套可共用的复合式冷却循环回路，通过一套共用的冷却循环回路将泵浦源与增益模块两处的产热交换冷却。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明设计的复合冷却式浸入式激光系统创新性地通过将一套冷却循环系统同时实现了对增益晶体产热及泵浦源产热的多点热源的有效冷却，对激光增益介质进行冷却保证了有效的热管理。另一方面本发明的激光系统将多点热源的系统产热蓄存于热相变冷却材料，在实现有效热管理的同时极大地提高了系统的紧凑度，大幅度减小了系统体积和重量。
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是本发明的一种超紧凑轻量复合冷却浸入式高能激光系统示意图；
图2是本发明的一种超紧凑轻量复合冷却浸入式高能激光系统的增益模块沿Y方向的截面图；
图3是本发明的一种超紧凑轻量复合冷却浸入式高能激光系统的增益模块沿X方向的截面图；
图4是本发明的泵浦源的复合冷却方式示意图；
图5是本发明的尾纤泵浦源在复合冷板上的堆叠方式示意图。
图中：1、谐振腔全反镜，2、浸入式激光增益模块，3、泵浦源复合冷板，4、尾纤泵浦源，5、尾纤泵浦源传输光纤，6、增益模块通光口，7、谐振腔输出镜，8、输出激光，9、循环泵，10、循环管路，11、准直端帽，12、增益模块换热翅片，13、激光冷却液，14、增益介质晶体，15、热相变冷却材料，16、复合冷板换热翅片。
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为一种超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，该系统包括用于产生激光振荡反馈的激光谐振腔、用于获得高增益的浸入式激光增益模块2、用于输出泵浦光的复合冷却泵浦模块，所述浸入式激光增益模块2和复合冷却泵浦模块共用一套冷却循环系统。
所述激光谐振腔用于产生激光振荡反馈和获得输出激光8。在一个实施例中该激光谐振腔结构主要包括谐振腔全反镜1和谐振腔输出镜7，且谐振腔全反镜1和谐振腔输出镜7分别位于浸入式激光增益模块2整体光路结构的两侧。
所述浸入式激光增益模块2用于产生高激光增益。图2是超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统的浸入式激光增益模块2沿Y方向的截面图。如图2所示，所述浸入式激光增益模块2包括多片阵列式固定堆叠的增益介质晶体14。各片增益介质晶体14之间形成一定厚度的流道，通过在流道内流动的激光冷却液13将增益介质晶体14的表面进行冷却。
本实施例中采用多片增益介质晶体14阵列式排布的方案，并利用流动的激光冷却液13在增益介质晶体14之间进行散热。该方案可以在降低单片晶体热负载的同时在单位体积内获得较高的激光增益。需要说明的是，本实施例中增益介质晶体14的数量可能为数片、数十片或数百片，实际数量可以根据激光系统的指标要求进行设置。
同时，本实施例中激光冷却液13优选既能获得较好的冷却效果，又对输出主激光和泵浦光的吸收较弱的具有较好热力学性能的液体作为冷却液，不影响激光的输出功率。冷却液从增益介质晶体14之间的微流道流过，带走增益介质晶体14产生的热量。
图3是超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统的浸入式激光增益模块2沿X方向的截面图。结合图2和图3所示，在增益介质晶体14的前端和后端分别设置与增益介质晶体14厚度一致的增益模块换热翅片12，每一片增益模块换热翅片12内储存有一定量的热相变冷却材料15。所述增益模块换热翅片12的作用有二：一方面是将激光冷却液13中从增益介质晶体14带出的产热热量快速置换进热相变冷却材料15、另一方面能够对激光冷却液13的流场有均匀匀化作用。
本实施例中在增益模块2内设置增益模块换热翅片12于增益介质晶体14的两端，能创新性地解决快速换热和流场整形问题。
在一个实施例中所述热相变冷却材料15优选具有大蓄热能力的相变材料，如烷烃、多元醇以及水合盐等。在一个优选实施例中，当吸收并储存潜热的能力大于或等于100KJ/KG的相变材料可以认为是具备大蓄热能力。
该浸入式激光增益模块2可以实现一定程度上的热管理闭环，即在激光输出的时段内，通过激光冷却液13将热量储存进热相变冷却材料15中，热相变冷却材料15具有快速吸热再逐渐向环境中释热的特征，在激光未输出阶段自行恢复而无需额外设置专门的冷却。
本发明激光系统中的增益介质晶体14优选具有各向同性的材料，例如Nd:YAG材料等，具有各向同性的增益介质晶体对泵浦激光的偏振态无特殊的选择特性。
所述复合冷却泵浦模块主要用于向浸入式激光增益模块2注入泵浦光，实现粒子数反转获得激光增益同时实现高效直接液冷。该复合冷却泵浦模块包括泵浦源复合冷板3、尾纤泵浦源4、尾纤泵浦源传输光纤5、循环泵9、循环管路10、准直端帽11。
所述尾纤泵浦源4输出的泵浦光经过尾纤泵浦源传输光纤5以及准直端帽11整形后，经两个侧面的增益模块通光口6注入到增益介质晶体14中，获得粒子数反转。在激光谐振腔全反镜1和谐振腔输出镜7组成的谐振腔的作用下获得反馈振荡，达到一定输出阈值后输出激光8从谐振腔输出镜7一端输出。
该泵浦系统的优势在于采用的复合冷却方式，提高了系统的紧凑性。图4是本发明的泵浦源的复合冷却方式示意图，如图4所示，所述复合冷却方式的工作原理为：泵浦源复合冷板3与浸入式激光增益模块2共用激光冷却液13，激光冷却液13在循环泵9的作用下经过浸入式激光增益模块2中的增益模块换热翅片12冷却后、再经循环管路10流入泵浦源复合冷板3中，另一方面尾纤泵浦源4通过导热硅脂被固定在复合冷板3的表面，则尾纤泵浦源4产生的热量传递到激光冷却液13中，同时在泵浦源复合冷板3的内部也同样设置有复合冷板换热翅片16，且复合冷板换热翅片16内部同样储存有热相变冷却材料15，从而使泵浦源中的热量进一步地进行传递并交换进热相变冷却材料15中。
在一个实施例中，增益模块换热翅片12内储存有的热相变冷却材料15与复合冷板换热翅片16内部储存的热相变冷却材料15为相同的材料，也可以采用不同的大蓄热能力的材料，在实际操作中以能够完成快速的蓄热功能即可。
可以看到，整个高能激光系统中有两处热源，即增益晶体产热和泵浦源产热。本实施例中针对该两处热源的释热采用同一冷却回路，并将系统产热蓄存于热相变冷却材料的方式。即在循环泵9的作用下，激光冷却液体13在系统回路内循环，快速从两处热源区带走热量并蓄存于换热翅片内的热相变冷却材料15中。
本发明实施例优选具有高电光效率的二极管尾纤激光器作为尾纤泵浦源4。
图5是本发明的尾纤泵浦源4在泵浦源复合冷板3上的堆叠方式示意图。其中，所述尾纤泵浦源4在泵浦源复合冷板3上的堆叠方式为图5中所示的双面阵列式满铺方式，从而尽量提高散热效率。
当尾纤泵浦源4如图5所示在泵浦源复合冷板3上为双面阵列式满铺时，相应的，泵浦源复合冷板3两侧均通过尾纤泵浦源传输光纤5连接浸入式激光增益模块2，如图1所示，从而传输泵浦光；同时，泵浦源复合冷板3还通过循环管路10与浸入式激光增益模块2连接，如图1和图4所示，用于冷却液的流通。
需要说明的是，在图1所示的实施例中所述激光系统包括两个浸入式激光增益模块2和2个泵浦源复合冷板3按照前述连接方式进行闭环连接。在其他实施例中，浸入式激光增益模块2和泵浦源复合冷板3的数量可以依据激光系统的指标和性能要求进行增加或减少。
通过如上所述复合冷却式浸入式激光系统的结构设计，与现有技术相比，该激光系统创新性地通过将一套冷却循环系统同时实现了对增益晶体产热及泵浦源产热的有效冷却，并将系统产热蓄存于热相变材料的方式，在实现有效热管理的同时极大地提高了系统的紧凑度，大幅度减小了系统体积和重量。相关实验数据表明，针对20kW的复合冷却式浸入式激光系统(按照现有水平预估电光效率30%、重水激光冷却液20kg、蓄热能力为100kJ/kg的热相变冷却材料30kg、泵浦源重量40kg、增益模块~20kg、其他部件~10kg)，该激光系统单次出光时间为30秒，则系统的单次出光产热为2000kJ，完成单次出光后将全部2000kJ的热量蓄存于热相变冷却材料中，全系统总重量为120kg，功率重量比达到167W/kg，比现有固体激光系统提高接近一个数量级。
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 (6)

1.一种超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，其特征在于，所述高能激光系统包括：用于产生激光振荡反馈的激光谐振腔、用于获得高增益的浸入式激光增益模块(2)、用于输出泵浦光的复合冷却泵浦模块，所述浸入式激光增益模块(2)和复合冷却泵浦模块共用复合式冷却式循环系统；
所述浸入式激光增益模块(2)包括多片增益介质晶体（14），多片增益介质晶体（14）为阵列式固定堆叠，各片增益介质晶体(14)之间形成流道，通过在流道内流动的激光冷却液(13)将增益介质晶体(14)的表面进行冷却；在增益介质晶体(14)的前端和后端分别设置与增益介质晶体(14)的厚度一致的增益模块换热翅片(12)，每一片增益模块换热翅片（12）内储存有热相变冷却材料(15)；
所述复合冷却泵浦模块包括泵浦源复合冷板(3)，所述泵浦源复合冷板(3)的内部设置有复合冷板换热翅片(16)，且复合冷板换热翅片(16)内部储存热相变冷却材料(15)；
所述浸入式激光增益模块(2)和复合冷却泵浦模块共用复合式冷却循环系统包括：泵浦源复合冷板(3)与浸入式激光增益模块(2)共用激光冷却液(13)，激光冷却液(13)在循环泵(9)的作用下经过浸入式激光增益模块(2)中的增益模块换热翅片(12)冷却后、再经循环管路(10)流入泵浦源复合冷板(3)中，同时被固定在泵浦源复合冷板(3)表面的尾纤泵浦源(4)产生的热量传递到激光冷却液（13）中，且尾纤泵浦源(4)中的热量被传递并交换进热相变冷却材料（15）中，形成闭环连接；
所述激光冷却液13为对主激光和泵浦光的吸收弱的具有热力学性能的液体。
2.根据权利要求1所述的超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，其特征在于，所述激光谐振腔包括谐振腔全反镜(1)和谐振腔输出镜(7)，且谐振腔全反镜(1)和谐振腔输出镜(7)分别位于浸入式激光增益模块(2)整体结构的两侧。
3.根据权利要求2所述的超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，其特征在于，所述热相变冷却材料(15)为烷烃、多元醇或水合盐中的一种。
4.根据权利要求3所述的超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，其特征在于，所述复合冷却泵浦模块用于向浸入式激光增益模块(2)注入泵浦光，该复合冷却泵浦模块包括泵浦源复合冷板(3)、尾纤泵浦源(4)、尾纤泵浦源传输光纤(5)、循环泵(9)、循环管路(10)、与尾纤泵浦源传输光纤(5)连接的准直端帽(11)。
5.根据权利要求4所述的超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，其特征在于，所述尾纤泵浦源(4)输出的泵浦光经过尾纤泵浦源传输光纤(5)的传输以及准直端帽（11）的整形后、经两个侧面的增益模块通光口（6）注入到增益介质晶体(14)中，获得粒子数反转；同时在谐振腔的作用下获得反馈振荡，达到输出阈值后产生输出激光（8）进行输出。
6.根据权利要求5所述的超紧凑轻量复合冷却式浸入式高能激光系统，其特征在于，所述尾纤泵浦源(4)在泵浦源复合冷板(3)上的堆叠方式双面阵列式满铺方式。
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