CN116387960A - 一种高重频固体激光发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高重频固体激光发射系统，包括光学谐振腔、泵浦电源组件和复合制冷组件；光学谐振腔内按轴线方向依次设置有后腔镜、电光Q开关晶体、布儒斯特片、Nd：YAG激光晶体棒、泵浦氙灯、光阑和输出镜，电光Q开关晶体为硅酸镓镧晶体材料，所述泵浦电源组件分别与所述泵浦氙灯和所述电光Q开关晶体电性连接。本发明工作稳定，采用硅酸镓镧晶体替代传统KD*P和LN等常用晶体作为电光开关材料，硅酸镓镧晶体无自然双折射，不会在空气中潮解，抗光伤阈值较高，且在较高重复频率下，晶体仍可正常工作，能够满足中高功率高重频激光器的要求，应用于各种高能量激光器中。

Description

一种高重频固体激光发射系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种高重频固体激光发射系统。

背景技术

激光发射设备在实际应用中对电光晶体的主要要求如下：电光系数大、抗光伤阈值高、易于生长和加工、晶体尺寸满足需求。目前常用作电光Q开关的晶体主要有如下几种：KD2PO4(KD*P或DKDP)、LiNbO3(LN)、RbTiOPO4(RTP)、β-BaB2O3(BBO)。

KD*P晶体抗光伤阈值高、晶体尺寸大，因而可以用在大能量激光器中，如氙灯泵浦的Nd:YAG激光器，但其缺点是在空气中潮解，给晶体加工和应用带来诸多问题；LN虽然不潮解，但其抗光伤阈值较低，极大地限制了其在中高能量激光器中的应用；RTP的优点是抗光伤阈值较高，且可以用在非常高的重复频率下，目前已有100kHz的RTP电光开关产品，但因其是双轴晶体，实际应用时需用两块完全相同(尺寸、方向)的晶体以抵消自然双折射，这极大增加了晶体加工的难度，且其在大功率情况下，热致双折射会影响开、关门效果，因而只能用在较低功率的激光器中；BBO晶体的抗光伤阈值最高，可以用在较高功率及较高重复频率情况下，其缺点是轻微潮解且晶体尺寸非常有限，在晶体生长、加工、应用方面会面临困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高重频固体激光发射系统，使用硅酸镓镧晶体替代KD*P和LN等常用晶体材料成为电光开关材料的最佳选择，硅酸镓镧是单轴晶体，无自然双折射，不潮解，抗光伤阈值较高，在较高重复频率下，硅酸镓镧仍可正常工作，满足中高功率激光器的要求。

本发明提供一种高重频固体激光发射系统，包括光学谐振腔、泵浦电源组件和与所述光学谐振腔外部管路连通的复合制冷组件，所述光学谐振腔内按轴线方向依次设置有后腔镜、电光Q开关晶体、布儒斯特片、Nd：YAG激光晶体棒、泵浦氙灯、光阑和输出镜，所述电光Q开关晶体为硅酸镓镧晶体，所述泵浦电源组件分别与所述泵浦氙灯和所述电光Q开关晶体电性连接。

进一步地，所述泵浦氙灯位于所述Nd：YAG激光晶体棒侧面，采用所述泵浦氙灯侧面泵浦所述Nd：YAG激光晶体棒。

进一步地，所述泵浦电源组件包括电源主体，所述电源主体上设置有高压信号电极和调Q信号泵浦电极，所述高压信号电极与所述电光Q开关晶体电性连接，所述调Q信号泵浦电极与所述泵浦氙灯电性连接。

进一步地，所述高压信号电极和所述电光Q开关晶体之间设有加压模块。

进一步地，所述高压信号电极和所述电光Q开关晶体的连接线路上设有与所述电光Q开关晶体并联的电容。

进一步地，所述电源主体上还设置有显示屏。

进一步地，所述复合制冷组件包括液体循环制冷机构、半导体制冷片、风冷机构、直流稳压电源和温控器，所述液体循环制冷机构与所述光学谐振腔的外部管路连通，所述半导体制冷片与所述温控器电性连接，所述温控器与连接220V交流电的所述直流稳压电源电性连接，所述温控器电性连接有安装在所述液体循环制冷机构内的温度传感器。

进一步地，所述液体循环制冷机构包括连通的水箱和水冷头，所述水箱通过进水管和出水管与所述光学谐振腔的外部管路连通，所述温度传感器安装在所述水箱内部，所述进水管与所述水冷头连通，所述半导体制冷片安装在所述水冷头上，所述水冷头顶部安装有热管。

进一步地，所述风冷机构包括散热鳍片和散热风扇，所述散热鳍片和所述散热风扇设置在所述热管两侧。

进一步地，所述出水管上设有与所述温控器电性连接的水泵。

本发明工作稳定，使用硅酸镓镧替代KD*P和LN等常用晶体材料成为电光开关材料的最佳选择，无自然双折射，不潮解，抗光伤阈值较高，在较高重复频率下，硅酸镓镧仍可正常工作，满足中高功率高重频激光器的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明的激光器结构示意图；

图2为本发明的激光器与泵浦电源组件连接示意图；

图3为本发明的激光器与复合制冷组件连接示意图；

附图标记说明：

图中：1-激光器、11-光学谐振腔、12-Nd：YAG激光晶体棒、13-泵浦氙灯、14-电光Q开关晶体、15-后腔镜、16-布儒斯特片、17-光阑、18-输出镜、21-电源主体、22-高压信号电极、23-调Q信号泵浦电极、24-加压模块、25-电容、26-显示屏、31-温控器、32-直流稳压电源、33-温度传感器、4-半导体制冷片、51-水箱、52-进水管、53-出水管、54-水泵、55-水冷头、56-热管、61-散热鳍片、62-散热风扇、7-220V交流电；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以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、图2和图3所示：

一种高重频固体激光发射系统，包括激光器1、泵浦电源组件和设置在激光器1上的复合制冷组件，激光器1以直腔结构的光学谐振腔11为外壳，光学谐振腔11内按轴线方向从左到右依次设置有后腔镜15、电光Q开关晶体14、布儒斯特片16、Nd：YAG激光晶体棒12、泵浦氙灯13、光阑17和输出镜18，电光Q开关晶体14有硅酸镓镧晶体材料制成。

硅酸镓镧晶体(langasite，分子式为La3Ga5SiO14)，简称硅酸镓镧，硅酸镓镧是单轴晶体，本身具有自然旋光性作为Q开关应用时激光沿其光轴方向传播，因而无自然双折射。硅酸镓镧不潮解，抗光伤阈值较高(0.95GW/cm2)，是LN的9.5倍，且可获得较大尺寸的晶体，因而可以满足中高功率激光器1的要求。在较高重复频率下(如10kHz)，硅酸镓镧仍可正常工作。因而，硅酸镓镧可替代KD*P和LN，成为电光开关材料的最佳选择。

如图1和图2所示，采取泵浦氙灯13作为泵浦源侧面泵浦方式对Nd：YAG激光晶体棒12进行泵浦，泵浦电源组件分别与泵浦氙灯13和电光Q开关晶体14电性连接。

泵浦电源组件包括电源主体21，电源主体21上设置有高压信号电极22、调Q信号泵浦电极23和显示屏26，高压信号电极22与电光Q开关晶体14电性连接，调Q信号泵浦电极23与泵浦氙灯13电性连接，泵浦电源组件可保证高重频率稳定控制。

高压信号电极22和电光Q开关晶体14之间设有加压模块24，高压信号电极22和电光Q开关晶体14的连接线路上设有与电光Q开关晶体14并联的电容25，实现对泵浦氙灯13的供电以及对电光Q开关晶体14的加压控制。

泵浦电源组件对泵浦氙灯13供电，电压是一个方波电压，有精准的延时，并且电压值可调，加在电光Q开关晶体14上的电压同样连续可调，方便找到合适的电压值，能在加压情况下实现激光器1的关门状态。

工作过程：在关门阶段，电光Q开关晶体14上两电极之一加高压(0-5000V可调)，另一电极0V，电光Q开关晶体14上加有高压，表现为关门状态；在开门阶段，泵浦氙灯13上加电信号一定延时后(0-300s可调)，泵浦电源组件产生高压脉冲信号，加到电光Q开关晶体14上之前0V的电极上，此时两电极均为高压，电光Q开关晶体14两端电压差为零，表现为开门状态。

如图3所示，复合制冷组件包括液体循环制冷机构、半导体制冷片4、风冷机构、直流稳压电源32和温控器31，液体循环制冷机构与光学谐振腔11的外部管路连通，半导体制冷片4与温控器31电性连接，温控器31与连接220V交流电7的直流稳压电源32电性连接，同时泵浦电源组件内的电源主体21同样与直流稳压电源32电性连接，直流稳压电源32将获取到的交流电改为直流电向电源主体21和温控器31供电。

液体循环制冷机构包括连通的水箱51和三个水冷头55，水箱51内部安装有与温控器31电性连接的温度传感器33，本实施例中的温度传感器33型号为Pt100，Pt100温度传感器33为常用工具，其具体结构和工作过程对于本领域技术人员来讲为公知常识，此处不做过多阐述。

水箱51通过进水管52和出水管53与光学谐振腔11的外部管路连通，出水管53上设有与温控器31电性连接的水泵54，进水管52与水冷头55连通，半导体制冷片4安装在水冷头55上，每个水冷头55的顶部均安装有热管56，本实施例中的水冷头55数量为三个，但是在正常工作过程中水冷头55的数量可根据其散热功效进行增减。

风冷机构包括散热鳍片61和散热风扇62，散热鳍片61和散热风扇62设置在热管56两侧。

光学谐振腔11的外部管路可设置成盘管，增加循环液体与激光器1的接触面积，提高热传递效率，进而增强冷却效率。

温控器31控制水泵54开闭，当水泵54开始工作时，水箱51、出水管53、激光器1外部管路、水冷头55和进水管52中的液体开始循环，外部管路内的液体将激光器1工作产生的热量带离，进入到水冷头55中；然后热量传递热管56内，再通过散热鳍片61增大散热面积，加之散热风扇62进行风冷，进一步提高散热效率，采用三套级联制冷机制，制冷总功率可达200W，完全可满足激光器1的制冷需要。

经测试，本实施例的重复频率>30Hz、单脉冲能量可调且最高>85mJ、脉冲宽度优于15ns、输出能量稳定性优于3.6％。

本发明工作稳定，使用硅酸镓镧替代KD*P和LN等常用晶体材料成为电光开关材料的最佳选择，无自然双折射，不潮解，抗光伤阈值较高，在较高重复频率下，硅酸镓镧仍可正常工作，满足中高功率高重频激光器的要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：包括光学谐振腔、泵浦电源组件和与所述光学谐振腔外部管路连通的复合制冷组件，所述光学谐振腔内按轴线方向依次设置有后腔镜、电光Q开关晶体、布儒斯特片、Nd：YAG激光晶体棒、泵浦氙灯、光阑和输出镜，所述电光Q开关晶体为硅酸镓镧晶体，所述泵浦电源组件分别与所述泵浦氙灯和所述电光Q开关晶体电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述泵浦氙灯位于所述Nd：YAG激光晶体棒侧面，采用所述泵浦氙灯侧面泵浦所述Nd：YAG激光晶体棒。

3.根据权利要求2所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述泵浦电源组件包括电源主体，所述电源主体上设置有高压信号电极和调Q信号泵浦电极，所述高压信号电极与所述电光Q开关晶体电性连接，所述调Q信号泵浦电极与所述泵浦氙灯电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述高压信号电极和所述电光Q开关晶体之间设有加压模块。

5.根据权利要求4所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述高压信号电极和所述电光Q开关晶体的连接线路上设有与所述电光Q开关晶体并联的电容。

6.根据权利要求5所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述电源主体上还设置有显示屏。

7.根据权利要求1所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述复合制冷组件包括液体循环制冷机构、半导体制冷片、风冷机构、直流稳压电源和温控器，所述液体循环制冷机构与所述光学谐振腔的外部管路连通，所述半导体制冷片与所述温控器电性连接，所述温控器与连接220V交流电的所述直流稳压电源电性连接，所述温控器电性连接有安装在所述液体循环制冷机构内的温度传感器。

8.根据权利要求7所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述液体循环制冷机构包括连通的水箱和水冷头，所述水箱通过进水管和出水管与所述光学谐振腔的外部管路连通，所述温度传感器安装在所述水箱内部，所述进水管与所述水冷头连通，所述半导体制冷片安装在所述水冷头上，所述水冷头顶部安装有热管。

9.根据权利要求8所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述风冷机构包括散热鳍片和散热风扇，所述散热鳍片和所述散热风扇设置在所述热管两侧。

10.根据权利要求8所述的一种高重频固体激光发射系统，其特征在于：所述出水管上设有与所述温控器电性连接的水泵。

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