CN115425499A - 一种具有散热功能的激光增益装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有散热功能的激光增益装置，包括外壳、增益模块、主风管和若干副风管，所述主风管转动设置在所述外壳内，所述增益模块套设在所述主风管上，若干所述副风管环绕设置在所述增益模块外周，所述副风管上阵列设置有若干风口；所述增益模块由若干增益介质薄片阵列构成，若干所述增益介质薄片间隔设置在所述主风管上，相邻所述增益介质薄片之间留有气道，所述气道与所述主风管连通；若干所述气道与若干所述风口一一对应。其解决了激光器或激光放大器的增益介质吸收了泵浦光能量而发热，导致影响激光器或激光放大器增益性能等问题。

Description

一种具有散热功能的激光增益装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种具有散热功能的激光增益装置。

背景技术

热管理技术在固体激光器中尤其是在高能激光系统中是一个制约其发展的重要因素。有效稳定的热管理方法和装置有利于提高固体激光器的泵浦效率、保持激光器的稳定性、拓展激光器的使用场合及增加激光器的使用寿命。

对激光器或激光放大器激光增益介质进行主动的热管理能提升激光器的性能。激光器腔体为保持洁净度多采用密封设计，当激光器的功率增加或工作时间的加长，增益介质产生的热量增多，会造成腔体内热量聚集且气体温度升高，进而降低激光器或激光放大器激光增益的性能。进而需要对增益介质产生的热量进行控制，以防止影响其增益性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有散热功能的激光增益装置，其解决了激光器或激光放大器的增益介质吸收了泵浦光能量而发热，导致影响激光器或激光放大器增益性能等问题。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种具有散热功能的激光增益装置，包括外壳、增益模块、主风管和若干副风管，所述主风管转动设置在所述外壳内，所述增益模块套设在所述主风管上，若干所述副风管环绕设置在所述增益模块外周，所述副风管上阵列设置有若干风口；

所述增益模块由若干增益介质薄片阵列构成，若干所述增益介质薄片间隔设置在所述主风管上，相邻所述增益介质薄片之间留有气道，所述气道与所述主风管连通；若干所述气道与若干所述风口一一对应。

进一步的，所述增益介质薄片呈圆环状，所述增益介质薄片的圆环中部为增益环，位于所述增益环内侧的部位为内散热环，位于所述增益环外侧的部位为外散热环；

所述内散热环的两侧均设置有内散热纹；

所述外散热环的两侧均设置有外散热纹。

进一步的，还包括：

外散热夹，所述外散热夹由相对设置的两块大金属环构成，所述外散热环位于两块所大金属环之间，两块所述大金属环的内侧均设有第一金属纹，所述第一金属纹与所述外散热纹啮合；

内散热夹，所述内散热夹由对称设置的两块小金属环构成，所述小金属环包括夹持部和驱动部，所述驱动部与所述，所述夹持部位于所述内散热夹外圆，所述夹持部开设有夹持腔，所述夹持腔与所述内散热环咬合，所述夹持腔内部的两侧壁上均设有第二金属纹，所述第二金属纹与所述内散热纹啮合。

进一步的，所述外散热夹的两侧外壁上均设置有若干散热锥；

所述内散热夹夹持部的两侧外壁上均设置有若干散热锥。

进一步的，所述驱动部包括若干内齿，所述内齿环绕分布在所述内散热夹内腔；

所述内齿沿所述内散热夹轴向的厚度大于所述内散热夹的厚度。

进一步的，所述主风管包括安装管、锁板和延长管，所述安装管一端一体设置有限位环，所述安装管外壁环绕开设有若干长锁槽，所述长锁槽与所述安装管的轴线平行，若干所述内齿与若干所述长锁槽一一啮合；

所述限位环与所述延长管连通，所述延长管延伸出所述外壳，所述延长管与所述外壳转动连接，所述延长管远离所述安装管的一端通过旋转接头连通有第一介质泵；

所述锁板设置在所述安装管远离所述限位环一侧，用于使若干所述增益介质薄片抵紧；

所述锁板远离所述安装管的一端设置有驱动轴，所述驱动轴与所述锁板同轴连接，所述驱动轴延伸出所述外壳，所述驱动轴与所述外壳转动连接，所述驱动轴远离所述安装管的一端通过联轴器与电机传动连接。

进一步的，若干所述副风管均各自连通有第二介质泵；

所述风口上连通设置有喷嘴。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1.使增益介质薄片转动起来，工作部分介质驻留在增益区域，的时候完成激光增益功能，在实现增益功能的同时产生了大量的废热，随即移出增益区域，后续增益介质上其他部分移入增益区域，该工作模式能保证增益区域随时有介质驻留，而前一时刻被加热的介质又移出光路。当工作部分移出增益区域后，可以进行散热冷却。

2.主风管和若干副风管，只要任两根管能够流通即可实现对增益介质薄片降温，且主风管和若干副风管均可以正压泵入制冷介质，也可以负压泵走制冷介质。根据不同的温度条件，以及不同的使用情况等，采用不同的风管组合制冷。所设计的散热装置能加快制冷介质沿益介质薄片表面的流动，达到提高制冷效率的目的。

3.通过对增益模块改进，在环形的增益介质内外侧分别设置内散热夹和外散热夹，用以固定和保护增益介质，同时通过设置散热纹快速的吸收的热量并通过若干散热锥与制冷介质快速进行热交换，进而对内增益介质实现散热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的一种具有散热功能的激光增益装置中增益模块的结构示意图；

图2为本发明提供的一种具有散热功能的激光增益装置中增益模块的侧视图；

图3为本发明提供的一种具有散热功能的激光增益装置截面图；

图4为本发明提供的一种具有散热功能的激光增益装置中增益环的结构示意图；

图5为本发明提供的一种具有散热功能的激光增益装置增益介质薄片的结构示意图；

图6为图5中A-A处截面图；

图7为本发明提供的一种具有散热功能的激光增益装置中增益介质薄片环边的截面图；

图8为本发明提供的一种具有散热功能的激光增益装置中外散热夹的截面图；

图9为本发明提供的一种具有散热功能的激光增益装置中内散热夹的截面图；

图标：1、激光束，2、外壳，3、增益模块，31、增益介质薄片，311、增益环，312、内散热环，3121、内散热纹，313、外散热环，3131、外散热纹，32、外散热夹，321、金属环，3211、第一金属纹，33、内散热夹，331、夹持部，332、驱动部，3321、内齿，333、第二金属纹，34、散热锥，4、主风管，41、安装管，411、长锁槽，42、锁板，43、延长管，44、限位环，45、长孔，5、副风管，51、风口，52、喷嘴，6、气道，7、旋转接头，8、驱动轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

参照图1至图9所示，本实施例提供一种具有散热功能的激光增益装置，包括外壳2、增益模块3、主风管4和若干副风管5，外壳2为密封的腔体，用以将增益模块3与外界隔离，主风管4转动设置在外壳2内，增益模块3套设在主风管4上，若干副风管5环绕设置在增益模块3外周，副风管5上阵列设置有若干风口51；

如图4所示，具体实施时，增益模块3由若干增益介质薄片31阵列构成，增益介质薄片31为Nd:YAG晶体，增益介质薄片31呈圆环状，相邻增益介质薄片31的间距为2.3mm，增益介质薄片31的圆环中部为增益环311，位于增益环311内侧的部位为内散热环312，位于增益环311外侧的部位为外散热环313；增益介质薄片31尺寸参数为：Φ65×2mm，内孔直径为28mm；增益环311两面都镀有泵浦光808nm和激光1064nm双高透膜。

增益介质薄片31的厚度采用精密加工误差控制在微米量级，用来防止多片增益介质薄片31堆叠后，相邻两片的间隔不均匀而影响激光器正常工作的问题。多片增益介质薄片31堆叠后，相邻两片增益介质片的间隔较小，显然不能在增益介质之间设置其他散热装置。

如图1-3所示，激光束1于外壳2上的位置固定，且留有适合的通光路径和空间，位于通光路径上的增益介质薄片31由于吸收了泵浦光能量被加热，随即被加热的部分因旋转系统的带动而被移出光路，然后被移入设置有散热装置的空间，接受制冷介质的散热。经过充分冷却的增益介质薄片31旋转360度后再入通光路径，再入激光管束1路径时已经充分冷却。

如图1所示，11片增益介质薄片31共有10个间隙，11片增益介质薄片31的左右两侧面均需要散热。增益介质薄片31随着主风管4转动，主风管4相当于转轴，其轴线晃动控制在50微米量级。且采用可控转速的电机带动旋转。

激光束1平行于主风管4，且始终照射在若干增益环311上，完成激光增益功能，在实现增益功能的同时激光束1与增益环311接触的部位会产生热量，但是随着增益介质薄片31转动，将产生热量的部位旋转移出增益区域，后续增益环311上其他部分移入增益区域，该工作模式能保证增益区域随时有介质驻留，而前一时刻被加热的介质又移出光路。当工作部分移出增益区域后，可以进行散热冷却。

需要说明的是，激光增益模块3的若干增益介质薄片31紧密堆叠在一起，片与片之间保留一定的气道6，气道6间隔可以保证增益介质薄片31能高效工作而不受影响，气道6的制冷介质扰动或流动能带走热量。

具体实施时，若干增益介质薄片31间隔设置在主风管4上，相邻增益介质薄片31之间留有气道6，气道6用于制冷介质的流动，通过制冷介质从增益介质薄片31表面流动，并热交换，进而带走增益介质薄片31上产生的热量，即完成对增益介质薄片的降温，气道6与主风管4连通；若干气道6与若干风口51一一对应。风口51与其对应气道6配合用于对对应位置的增益介质薄片31进行散热，以上结构能引导制冷介质到达增益介质上指定的需散热区域，从而获得良好的散热效果和进行精确的温度控制。

如图1-3所示，主风管4和若干副风管5，只要任两根管能够流通即可实现对增益介质薄片31降温，且主风管4和若干副风管5均可以正压泵入制冷介质，也可以负压泵走制冷介质。根据不同的温度条件，以及不同的使用情况等，采用不同的风管组合制冷。本实施例中副风管5间隔环绕设置4根效果更佳。

主风管4连通第一介质泵，若干副风管5均各自连通有第二介质泵；通过介质泵的驱动，能获得更快或可控的流速，使制冷介质沿增益薄片31表面快速流动，能获得更好的散热效果。完成对增益介质的散热后，从增益介质薄片间的间隙到达其他空间，完成散热流程。

具体实施时，当激光器功率低，产生的热量较小时，可以只采用任意两根副风管5制冷，一支副风管5泵入，另一只副风管5抽出，制冷介质的运动路径为两根副风管5连线，当增益介质薄片31转动到两根副风管5之间时即可进行热交换被冷却。两根副风管5之间的距离越远，制冷的范围越广，再通过控制制冷介质的流速，进而实现比较精准的温度控制，增益介质薄片31。

当激光器功率高，产生的热量较大时，可以采用主风管4泵入，若干副风管5抽出，此时制冷介质流量增大，制冷范围主要是主风管4和四根副风管5之间，制冷范围扩大，能更快的带走产生的热量。

同理，也可以通过四根副风管5泵入，主风管4抽出，副风管5喷出的制冷介质能快速的与增益介质薄片31外沿接触，即与发热点的距离较近，制冷效果更好，可以更根据实际需要来选择不同的抽泵方式。

进一步的，当有某个或者部分风管损坏，主风管4和四根副风管5中只要至少有两根风管可以正常工作就可以继续制冷；可使用的风管铰少时，可以通过增大泵入的压力来控制流量，即便是只有两根风管可以正常工作，只需要提供高压高速流动的制冷介质，依然可以弥补风管较少而降温不明显的劣势，不会对正常的使用造成大的影响，可以待使用结束后再进行维修，满足实际使用情况。同时彻底避免了密封腔体内热聚集的缺点，即使激光器在大功率和长时间工作的工况下也不会产生热聚集。通过温度控制组件的辅助对增益模块3进行精确的温度控制，进一步提高增益模块的稳定性和使用寿命。

内散热环312的两侧均设置有内散热纹3121；外散热环313的两侧均设置有外散热纹3131。如图4所示，具体实施时，内散热环312、增益环311和外散热环313一体成型，通过在内散热环312和外散热环313分别开设内散热纹3121和外散热纹3131，凹凸有秩的纹路能增大其表面积，进而增大散热面积，有助于热交换，与制冷介质的接触面积增大进而能更快的散热。

还包括外散热夹32，外散热夹32由相对设置的两块大金属环321构成，外散热环313位于两块所大金属环321之间，两块大金属环321的内侧均设有第一金属纹3211，第一金属纹3211与外散热纹3131啮合；如图5-9所示，具体实施时，外散热环313上设置有若干固定孔，两快大金属环321相对的一面上配合设置有若干的按扣，用于辅助与外散热环313固定的同时，使两块大金属环321相互固定，大金属环321的纹路与外散热纹313配合，进而有助于将热量快速传递到两块大金属环321上，以便于大金属环321与制冷介质接触后能更快的将这些热量转移，最终实现对增益介质薄片31降温的效果。同时，外散热夹32可以对外散热环313进行保护和缓冲，避免受损和高低温骤变对增益介质薄片31造成不可逆的损坏。

外散热夹32的两侧外壁上均设置有若干散热锥34；如图5、6和8所示，具体实施时，散热锥34能增大外散热夹32与制冷介质流的接触面积，进而能有助于热量更快的交换转移。

如图5-9所示，还包括内散热夹33，内散热夹33由对称设置的两块小金属环构成，两块小金属环也通过按扣相互配合，共同夹紧在内散热环312的两侧，小金属环包括夹持部331和驱动部332，驱动部332与，夹持部331位于内散热夹33外圆，夹持部331开设有夹持腔，夹持腔与内散热环312咬合，夹持腔内部的两侧壁上均设有第二金属纹333，第二金属纹333与内散热纹3121啮合。内散热夹33与外散热夹32的功能相类似，主要用于辅助内散热环312散热、固定和保护等，同时还通过驱动部332与主风管4传动连接。

具体实施时，内散热夹33夹持部331的两侧外壁上均设置有若干散热锥34。如图5、6和9所示，内散热夹33上的若干散热锥34的功能和外散热夹32的功能一样，用于快速的将内散热夹33从内散热环312吸收的热量与制冷介质进行热交换，进而对内散热环312实现散热。

需要说明的是，制冷介质除与内散热夹33和外散热夹32热交换部分热量，同时在流经增益环311，也会与增益环311进行热交换，带有一部分热量。

进一步的，驱动部332包括若干内齿3321，内齿3321环绕分布在内散热夹33内腔，若干内齿3321与主分管4上的若干长锁槽411一一啮合，进而在主风管4转动时，带动整个增益介质环31转动。

如图1、3和5所示，具体实施时，主风管4包括安装管41、锁板42和延长管43，安装管41一端一体设置有限位环44，安装管41外壁环绕开设有若干长锁槽411，长锁槽411与安装管41的轴线平行，若干内齿3321与若干长锁槽411一一啮合；若干内散热夹33紧密贴合的排列在主风管4上，内齿3321沿内散热夹33轴向的厚度大于内散热夹33的厚度，相邻的内齿3321之间有内凹的部分，若干内散热夹33排列贴合后，对应的内凹部分形成小的间隙，分布于增益介质薄片31的两侧，用于连通主风管4内腔和气道6，进而构成制冷介质的流通通道，便于制冷介质准确的在增益介质薄片31两侧流动。

限位环44与延长管43连通，延长管43延伸出外壳2，延长管43与外壳2转动连接，延长管43远离安装管41的一端通过旋转接头7连通有第一介质泵；如图1和3所示，具体实施时，第一介质泵主要为主风管4提供正压或负压的制冷介质，制冷介质的流速和流量可控，用以满足不同的散热要求。

锁板42设置在安装管41远离限位环44一侧，用于使若干增益介质薄片31抵紧；当若干增益介质薄片31安装到位后，进一步通过锁板42使若干增益介质薄片31稳固在主风管4上，同时使若干增益介质薄片31紧密堆叠在一起，同时保证若干气道6的尺寸一致，保证增益介质薄片31能高效工作而不受影响，气道6间隔内的制冷介质扰动或流动能带走热量。

锁板42远离安装管41的一端设置有驱动轴8，驱动轴8与锁板42同轴连接，驱动轴8延伸出外壳2，驱动轴8与外壳2转动连接，驱动轴8远离安装管41的一端通过联轴器与电机传动连接，用以带动主风管4转动。

如图1和2所示，风口51上连通设置有喷嘴52，倘若副风管5用以提供正压的制冷介质，通过在副风管5上设置若干喷嘴52，可以连续的喷出制冷介质流，对应位置的喷嘴52，只能对对应位置的增益介质薄片31进行散热，更加的精准高效。

具体实施时，本实施列采用的制冷介质为氮气，冷却气体进入喷嘴组合，流通转运，分别对所对应的增益介质薄片31进行散热，带走了增益介质薄片31上的热量。

在本发明的一些实施例中，为了将增益介质所产生的废热带走，维持激光增益模块的稳定性，采用主动供应制冷介质的方式进行散热。比如高纯氮气、高纯氦气、重水等，上述制冷介质是本发明一些实施例中所使用的制冷介质，不应理解为本发明的具体限制。

在本发明的一些实施例中，为了维持更高功率的激光输出，散热装置的供气采用带排放机构的单向供气(如高纯氮气)方法。这种方法有利于供应温度更低的制冷介质(比如液氮等)而不需要对使用过的介质进行重新降温。

在本发明的一些实施例中，为了提高激光器的集成度，使用气体制冷介质时采用带气泵的循环制冷法。设置气体制冷介质的储存装置，采用气泵从存储装置内抽取制冷介质，供应到喷嘴座，在激光器的某处设置制冷介质回流出口，气泵产生的动力会驱动制冷剂从回流出口流出。本发明所述循环装置有多种结构方式，不应理解为本发明指定了某种具体的结构形式。

在本发明的一些实施例中，为了提高激光器的集成度和形成更高的制冷功率，使用液体制冷介质时采用带液泵的循环散热法。设置液体制冷介质的储存装置，采用液泵从存储装置内抽取制冷介质，供应到喷嘴座，在激光器的某处设置制冷介质回流出口，液泵产生的动力会驱动制冷介质从回流出口流出，在回流出口到储存装置之间可以增加再制冷装置，对回流制冷介质进行二次制冷。本发明所述存储装置和再制冷装置有多种结构方式，不应理解为本发明指定了某种具体的结构形式。

在本发明的一些实施例中，采用循环制冷法时。对增益模块进行密封设计。当制冷剂采用比较贵重或不能直接排放的介质时(比如氦气)，对增益模块进行密封设计显得尤为重要。密封设计的增益模块能提高仪器的集成度，简化使用环节并节省用户的使用成本。密封设计有多种结构形式，不应理解为本发明指定了某种具体的结构形式。

在本发明的一些实施例中，如附图3所示，采用循环制冷法时，且对增益模块进行密封设计后，采用图中所示的制冷介质回路，对散热后被加温的制冷介质进行再制冷，能获得对激光增益模块稳定的散热性能。所述的再制冷方式有多种方法，不应理解为本发明指定了某种具体的结构形式。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有散热功能的激光增益装置,其特征在于：包括外壳(2)、增益模块(3)、主风管(4)和若干副风管(5)，所述主风管(4)转动设置在所述外壳(2)内，所述增益模块(3)套设在所述主风管(4)上，若干所述副风管(5)环绕设置在所述增益模块(3)外周，所述副风管(5)上阵列设置有若干风口(51)；

所述增益模块(3)由若干增益介质薄片(31)阵列构成，若干所述增益介质薄片(31)间隔设置在所述主风管(4)上，相邻所述增益介质薄片(31)之间留有气道(6)，所述气道(6)与所述主风管(4)连通；若干所述气道(6)与若干所述风口(51)一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种具有散热功能的激光增益装置，其特征在于，所述增益介质薄片(31)呈圆环状，所述增益介质薄片(31)的圆环中部为增益环(311)，位于所述增益环(311)内侧的部位为内散热环(312)，位于所述增益环(311)外侧的部位为外散热环(313)；

所述内散热环(312)的两侧均设置有内散热纹(3121)；

所述外散热环(313)的两侧均设置有外散热纹(3131)。

3.根据权利要求2所述的一种具有散热功能的激光增益装置，其特征在于，还包括：

外散热夹(32)，所述外散热夹(32)由相对设置的两块大金属环(321)构成，所述外散热环(313)位于两块所大金属环(321)之间，两块所述大金属环(321)的内侧均设有第一金属纹(3211)，所述第一金属纹(3211)与所述外散热纹(3131)啮合；

内散热夹(33)，所述内散热夹(33)由对称设置的两块小金属环构成，所述小金属环包括夹持部(331)和驱动部(332)，所述驱动部(332)与所述，所述夹持部(331)位于所述内散热夹(33)外圆，所述夹持部(331)开设有夹持腔，所述夹持腔与所述内散热环(312)咬合，所述夹持腔内部的两侧壁上均设有第二金属纹(333)，所述第二金属纹(333)与所述内散热纹(3121)啮合。

4.根据权利要求3所述的一种具有散热功能的激光增益装置，其特征在于，所述外散热夹(32)的两侧外壁上均设置有若干散热锥(34)；

所述内散热夹(33)夹持部(331)的两侧外壁上均设置有若干散热锥(34)。

5.根据权利要求3所述的一种具有散热功能的激光增益装置，其特征在于，所述驱动部(332)包括若干内齿(3321)，所述内齿(3321)环绕分布在所述内散热夹(33)内腔；

所述内齿(3321)沿所述内散热夹(33)轴向的厚度大于所述内散热夹(33)的厚度。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种具有散热功能的激光增益装置，其特征在于，所述主风管(4)包括安装管(41)、锁板(42)和延长管(43)，所述安装管(41)一端一体设置有限位环(44)，所述安装管(41)外壁环绕开设有若干长锁槽(411)，所述长锁槽(411)与所述安装管(41)的轴线平行，若干所述内齿(3321)与若干所述长锁槽(411)一一啮合；

所述限位环(44)与所述延长管(43)连通，所述延长管(43)延伸出所述外壳(2)，所述延长管(43)与所述外壳(2)转动连接，所述延长管(43)远离所述安装管(41)的一端通过旋转接头(7)连通有第一介质泵；

所述锁板(42)设置在所述安装管(41)远离所述限位环(44)一侧，用于使若干所述增益介质薄片(31)抵紧；

所述锁板(42)远离所述安装管(41)的一端设置有驱动轴(8)，所述驱动轴(8)与所述锁板(42)同轴连接，所述驱动轴(8)延伸出所述外壳(2)，所述驱动轴(8)与所述外壳(2)转动连接，所述驱动轴(8)远离所述安装管(41)的一端通过联轴器与电机传动连接。

7.根据权利要求1所述的一种具有散热功能的激光增益装置，其特征在于，若干所述副风管(5)均各自连通有第二介质泵；

所述风口(51)上连通设置有喷嘴(52)。

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