CN117791272A - 一种激光器散热装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光器散热装置及其工作方法，该激光器散热装置包括设置在激光器的箱体前的气体箱和沿气体箱的进气方向依次间隔设置于气体箱内的第一过滤件、第二过滤件以及半导体制冷集成装置，本发明在综合考虑镜片的对流散热和气流的密度均匀性的基础上，通过多个过滤件改善气流的洁净度与气流均匀度，通过半导体制冷集成装置的多个半导体制冷片改善对流散热效果和气流密度，能够有效改善激光传输的稳定性。

Description

一种激光器散热装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种激光器散热装置及其工作方法。

背景技术

ArF准分子激光器的激光功率越来越高，分束镜、反射镜的热变形影响越来越严重，内光路通道的结构对激光波前畸变的影响也随之增大。在高能激光系统中,激光分束镜、反射镜表面的辐照区域在激光辐照下吸收一部分光能,形成不均匀的温度场,从而产生热应力并发生光学镜片镜面热变形。这种不均匀变形将引起激光光束质量下降,严重制约激光的远距离应用。因此,研究激光器光学镜片的热稳定性,掌握光学镜片的热变形规律。对控制光学镜片的热变形,提高激光输出质量具有重要的现实意义。

考虑激光器内光路通道中的气体热效应，当激光在内通道中传输时，通道中的气体分子等会吸收激光能量而被加热，气体的非均匀加热会引起介质密度的起伏，密度的空间起伏又导致局部折射率变化，最终使激光在内通道中传输的相位发生畸变，影响激光的光强分布，降低光束质量。特别是在气体吸收的激光功率较高的情况下，被加热气体引起的热晕效应非常明显。对在激光器内光路通道中的气体热效应研究，国内外的专家学者在理论模拟和实验分析等方面都展开了大量的工作，而为了改善激光器内通道中的气体热效应问题，目前提出了很多解决方案，其中较为有效的方法即在箱体中注入低吸收系数气体如氮气等。

当前激光器的散热主要是固体结构导热和气体的对流散热。由于固体结构导热和结构实现功能有关，不易掌控，因此现有技术一般通过改变气流对流散热改变镜片热变形。也就是说，通过增加气流量和改变气体流道结构是现今改变镜片热变形/气流场密度的主要手段。然而降低光学镜片温度势必要增加镜片附近气流量，导致气场中光折射率的变化。如果考虑气流密度的变化，则无法大幅度降低光学镜片热变形的影响。因此在现有技术中，降低光学镜片热变形和改善气流均匀性存在矛盾。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种激光器散热装置及其工作方法，该激光器散热装置综合考虑了镜片的对流散热和气流密度均匀性，能够改善气体热效应对镜片变形的影响，从而有利于改善激光传输的稳定性。

本发明在一方面提供了一种激光器散热装置，包括多个均匀布置在激光器的箱体内的传感器、可通信地连接于所述传感器的处理器、设置在激光器的箱体前的气体箱和沿所述气体箱的进气方向依次间隔设置于所述气体箱内的第一过滤件、第二过滤件以及半导体制冷集成装置；

其中所述箱体内设置有镜片，所述镜片的侧面设置有至少一个所述传感器，所述传感器用于监测所述箱体和所述镜片的温度，并将对应的温度信号反馈至所述处理器，所述处理器可通信地连接于所述半导体制冷集成装置，用于基于所述传感器反馈的温度信号输出制冷电信号至所述半导体制冷集成装置，以控制所述半导体制冷集成装置的工作。

在本发明的一实施例中，所述气体箱界定形成有用于容置所述第一过滤件、所述第二过滤件以及所述半导体制冷集成装置的容置槽，且所述气体箱的远离于所述箱体的一侧设置有供气体进入的气体进口，靠近于所述箱体的一侧设置有贯通所述容置槽的箱体接口，所述箱体接口用于与所述箱体形成连接。

在本发明的一实施例中，所述第一过滤件设置有多个贯通所述氮气进口的第一过滤通道，所述第二过滤件设置有多个贯通所述第一过滤通道的第二过滤通道，所述半导体制冷集成装置包括制冷主体、间隔设置于所述制冷主体的多个气体通道、以及设置于所述气体通道内的半导体制冷片，所述箱体设置有多个穿孔。

在本发明的一实施例中，各所述气体通道内设置有四个半导体制冷片，各所述半导体制冷片的制冷端与所述气体通道的表面相接触，制热端集成在所述制冷主体内部。

在本发明的一实施例中，所述第一过滤件、所述第二过滤件以及所述制冷主体均为铝板。

在本发明的一实施例中，所述第一过滤通道的直径大于所述第二过滤通道的直径。

在本发明的一实施例中，所述第一过滤通道的直径为2～5mm；和/或，所述第二过滤通道的直径为0.5～1.5mm；和/或，所述气体通道的间隔为5～15mm；和/或，所述制冷片主体的厚度为5～15mm。

在本发明的一实施例中，所述第一过滤件、所述第二过滤件以及所述半导体制冷集成装置在所述气体箱内的间隔为8～16mm。

在本发明的一实施例中，所述箱体内设置的所述传感器为热偶传感器，数量为8～10个。

本发明在另一方面还提供了一种激光器散热装置的工作方法，包括步骤：

传感器实时检测激光器的箱体和所述箱体内的镜片温度，在所述传感器检测温度超出预设升温幅度时，输出温度信号至处理器，其中所述预设升温幅度为所述箱体升温后的实时温度与初始温度之间的差值；

处理器接收所述温度信号而输出对应的制冷信号至半导体制冷集成装置；

将气体输入气体箱，气体依次通过第一过滤件和第二过滤件后进入所述半导体制冷集成装置的气体通道；

所述半导体制冷集成装置的半导体制冷片接收所述制冷信号后开始制冷，从而使得所述气体通道内的气体温度降低；

降温后的气体进入所述箱体内，降低所述箱体和所述镜片的温度，在所述传感器检测到所述箱体和所述镜片的温度降低至初始温度时，所述处理器控制所述半导体制冷片停止工作。

在本发明的一实施例中，所述预设升温幅度设置为3度。

本发明的激光器散热装置具有以下有益效果：

(1)降温效果显著：区别于单纯的常温气体降温，通过半导体制冷集成装置可实现快速大梯度降温，可把气体温度降到零度以下；

(2)能够改善激光局部折射率：通过采用多个过滤件对气流进行逐级分离，能够使得气体流场密度更加均匀，通过半导体制冷集成装置进行制冷，能够避免激光器的箱体内气体流场密度发生变化，还能够避免激光器的箱体内局部气体温度升高而导致光的折射率起伏变化；

(3)能够降低散热系统的冷却气体用量：通过采用半导体制冷集成装置，同样的气体可以带走更多的热量，预计可减少60％的冷却气体用量；

(4)净化除尘效果显著：通过第一过滤件和第二过滤件逐级对气体进行分离，可以过滤掉气体中的大部分颗粒，阻止颗粒进入箱体内；

(5)节约成本：激光器散热装置使用电能替代一部分氮气，电能相对于氮气更廉价，相比于单纯使用氮气来讲，预计可节约45％的成本；

(6)环保：电能不会引入其他污染，不需考虑废气污染；

(7)消除零件疲劳：当箱体内零件长时间工作，可通过半导体制冷集成装置来实现大范围降温，从而改善箱体内零件的内应力；

(8)保护镜片：通过多个传感器实时监控镜片温度，能够避免镜片温度过高而被损坏；

(9)控温精准：通过传感器、处理器以及半导体制冷片的配合工作，能够实现对箱体内温度的精准控制。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为本发明的一优选实施例的激光器散热装置的立体结构示意图。

图2为图1所示的激光器散热装置的部分结构的剖视示意图。

图3为图1所示的激光器散热装置的部分结构的爆炸图。

图4为图3所示的激光器散热装置的第一过滤件的立体结构示意图。

图5为图3所示的激光器散热装置的第二过滤件的立体结构示意图。

图6为图3所示的激光器散热装置的半导体制冷集成装置的立体结构示意图。

图7为图6的A部分的放大示意图。

图8为本发明的激光器散热装置的流速云图。

图9为现有的激光器箱体的流速云图。

图10为本发明的激光器散热装置的温度云图。

图11为现有的激光器箱体的温度云图。

图12为本发明的激光器散热装置的传导热通量示意图。

图13为现有的激光器箱体的传导热通量示意图。

附图标号说明：

激光器散热装置100；气体箱10；气体进口11；容置槽101；箱体接口12；第一过滤件20；第一过滤通道21；第二过滤件30；第二过滤通道31；半导体制冷集成装置40；制冷主体41；气体通道42；半导体制冷片43；传感器50；处理器60；箱体200；穿孔201；镜片210。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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。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。

本发明在综合考虑镜片的对流散热和气流的密度均匀性的基础上，提供了一种激光器散热装置，激光器散热装置通过在进气口引入温度传感器实时监控镜片和气流场温度，通过增加粗分离层和细分离层改善气流的洁净度与气流均匀度，并添加多个半导体制冷片改善对流散热效果和气流密度，能够有效改善激光传输的稳定性。如图1至图7所示，根据本发明的激光器散热装置100的具体结构被具体阐明。

具体地，如图1至图3所示，激光器散热装置100包括设置在激光器的箱体200前的气体箱10和沿气体箱10的进气方向依次间隔设置于气体箱10内的第一过滤件20、第二过滤件30以及半导体制冷集成装置40，其中第一过滤件20和第二过滤件30用于对气体进行过滤和分离，确保进入箱体200的气流洁净度和气流均匀性，半导体制冷集成装置40用于对进入箱体200的气体进行制冷降温，以避免箱体200内的气体温度过高而导致箱体200内的镜片产生热变形。

可以理解的是，本发明的激光器散热装置100采用半导体制冷装置进行制冷，当箱体200内零件长时间工作时，可通过半导体制冷集成装置40来实现大范围降温，从而改善箱体200内零件的内应力。而且，通过半导体制冷集成装置40可实现快速大梯度降温，可把气体温度降到零度以下，降温效果显著。另外，通过采用半导体制冷集成装置40，同样的气体可以带走更多的热量，预计可减少60％的冷却气体使用量。

还可理解的是，本发明通过采用多个过滤件对气流进行逐级分离，能够使得气流场密度更加均匀，通过半导体制冷集成装置40进行制冷，能够避免激光器的箱体200内气流场密度发生变化，还能够避免激光器的箱体200内局部气体温度升高而导致光的折射率起伏变化。

值得一提的是，在这一实施例中，第一过滤件20、第二过滤件30以及半导体制冷集成装置40在气体箱10内的间隔为8～16mm。

具体地，气体箱10界定形成有用于容置第一过滤件20、第二过滤件30以及半导体制冷集成装置40的容置槽101，气体箱10的远离于箱体200的一侧设置有供气体进入的气体进口11，气体箱10的靠近于箱体200的一侧设置为贯通容置槽101的箱体接口12，箱体接口12用于与箱体200形成连接。

值得一提的是，气体为低吸收系数气体，如氮气等，相对应地，气体进口11为氮气进口。

具体地，如图4至图6所示，第一过滤件20设置有多个贯通氮气进口的第一过滤通道21，第二过滤件30设置有多个贯通第一过滤通道21的第二过滤通道31，半导体制冷集成装置40包括制冷主体41、间隔设置于制冷主体41的多个气体通道42、以及设置于气体通道42的半导体制冷片43，箱体200设置有多个穿孔201。

可以理解的是，气体进口11、第一过滤通道21、第二过滤通道31、气体通道42以及穿孔201构成气体的流通气路，即气体从气体进口11经由第一过滤件20和第二过滤件30过滤分离后，进入半导体制冷集成装置40的气体通道42内被冷却，最后经由穿孔201进入箱体200内。

特别地，本发明将第一过滤件20的直径设置大于第二过滤件30的直径，即第一过滤件20作为粗分离层，实现的是粗分离功能，具体用于对气体进行第一次过滤分离，使得气体密度更均匀，同时能够避免颗粒较大的杂质进入。第二过滤件30作为细分离层，实现的是细分离功能，具体用于对气体进行第二次过滤分离，使得气体密度更加均匀，同时进一步过滤颗粒较小的杂质进入。以此本发明通过逐级对气体进行过滤分离的方式，能够使得气流更加洁净，气体密度更加均匀。

也就是说，本发明通过第一过滤件20和第二过滤件30改善了气流的洁净度与气流均匀度，通过半导体制冷集成装置40改善了对流散热效果和气流密度，从而能够解决现有技术中镜片热变形和气流密度起伏影响光折射率之间存在矛盾的技术问题，有利于改善激光传输的稳定性，提升激光光束的传输质量。

可以理解的是，在本发明的一些实施例中，可以设置更多数量的过滤件，而不仅限于两个过滤件，多个过滤件的直径可以逐渐减小，以确保对气流的中的杂质颗粒的分离效果和使得气体密度更加均匀，从而确保气流洁净度与气流均匀度。

具体地，在这一实施例中，第一过滤通道21的直径为2～5mm；第二过滤通道31的直径为0.5～1.5mm。在本发明的一些实施例中，第一过滤通道21和第二过滤通道31也可以设置为其他直径，本发明对此不作限制。

具体地，如图6和图7所示，半导体制冷集成装置40的各气体通道42内设置有四个半导体制冷片43，各半导体制冷片43的制冷端与气体通道42的表面相接触，制热端集成在制冷主体41内部。

特别地，第一过滤件20、第二过滤件30以及制冷主体41均为铝板，即第一过滤件20、第二过滤件30以及制冷主体41均为铝制件。半导体制冷片43通过将制热端集成在铝制的制冷主体41内部，以能够通过金属导热实现散热。

具体地，在这一实施例中，气体通道42的间隔为5～15mm；制冷片主体的厚度为5～15mm。

进一步地，激光器散热装置100还包括多个均匀布置在箱体200内的传感器50和可通信地连接于传感器50与半导体制冷片43的处理器60，其中箱体200内设置有镜片210，镜片210的侧面设置有至少一个传感器50，传感器50用于监测箱体200和镜片210的温度，并将对应的温度信号反馈至处理器60，处理器60用于基于传感器50反馈的温度信号输出制冷电信号至半导体制冷片43，以控制半导体制冷片43的工作。

值得一提的是，在这一实施例中，箱体200内设置的传感器50为热偶传感器，数量为8～10个。

可以理解的是，箱体200为激光器中的光路传输模块、脉冲展宽模块等类似结构，内部设置有镜片210，镜片210为激光光路中的分束镜或反射镜等部件。本发明通过传感器50检测箱体200内的各部分温度，并通过有线或无线的方式将对应的温度信号反馈至处理器60，处理器60处理传感器50反馈的温度信号，并通过有线或无线的方式将制冷电信号传递给半导体制冷集成装置40，半导体制冷集成装置40的半导体制冷片43接收制冷电信号后开始制冷，使得气体通道42内的气体温度下降。

还可以理解的是，通过多个传感器50实时监控镜片温度，能够避免镜片温度过高而被损坏；而且通过传感器50、处理器60以及半导体制冷片43的配合工作，能够实现对箱体200内温度的精准控制。

值得一提的是，激光器散热装置100使用电能替代一部分氮气，电能相对于氮气更廉价，相比于单纯使用氮气来讲，预计可节约45％的成本，而且采用电能不会引入其他污染，不需考虑废气污染。

激光器散热装置100的工作流程如下：

激光器开始发光，箱体200内的镜片吸热而局部升温；当箱体200内气的流场局部温度升高3度时，处理器60得到传感器50反馈的温度信号，而对半导体制冷集成装置40发送制冷电信号；此时氮气不间断地从气体箱10的气体进口11进入，依次通过第一过滤件20和第二过滤件30后进入半导体制冷集成装置40的气体通道42；半导体制冷集成装置40的半导体制冷片43接收制冷电信号后开始制冷，使得气体通道42的气体温度降低；箱体200内气体升高区域的气体被进入箱体200内温度较低的气体中和；箱体200内的温度传感器50感应到温度恢复正常，处理器60控制半导体制冷片43停止工作。

也就是说，当传感器50在检测到箱体200内的温度超出预设升温幅度时，输出温度信号至处理器60，处理器60控制半导体制冷片43进行制冷；当传感器50在检测到箱体200内的温度降温至初始温度时，输出温度信号至处理器60，处理器60控制半导体制冷片43停止制冷。可以理解的是，预设升温幅度为箱体200升温后的实时温度与初始温度的差值，在这一实施例中设定为3度。

总的来讲，本发明提供了一种能够改善激光器的箱体内的对流散热和气体密度均匀性的激光器散热装置100，有利于提高激光传输稳定性。

本发明对激光器散热装置100进行了应用实验：首先让激光在稳定功率下分别加热镜片3min，使用4L/min的气流分别对镜片降温，发现用常规方法降到加热前温度需要15min，而使用本发明的激光器散热装置100降到加热前温度仅需6min。

也就是说，通过实验可证明本发明的激光器散热装置100可使得光学镜片附近降温效率提升60％以上。

如图8至图13，本发明还进行了仿真模拟分析：仿真条件为气体进口11流速4L/min，气体压强1.5个大气压，现有激光器箱体结构气流温度为正常环境温度22°，采用激光器散热装置100的箱体的气流温度经半导体制冷片43制冷后为15°。

本发明进行了气体密度和温度均匀性、气体降温效果对比分析，发现本发明的激光器散热装置100均优于现有的激光器箱体结构，采用激光器散热装置100的箱体几乎没有明显温度梯度和密度梯度，气体流向基本一致，不会对激光的指向稳定性产生大的影响。

图8为本发明的激光器散热装置100的流速云图，图9为现有的激光器箱体的流速云图。对比图8和图9可知，本发明的激光器散热装置100的气体流向基本一致，不会对激光的指向稳定性产生大的影响。而现有的激光器箱体内的气体流向混乱，容易影响光的指向稳定性。

图10为本发明的激光器散热装置100的温度云图，图11为现有的激光器箱体的温度云图，其中图中颜色较深对应温度较高。对比图10和图11可知，本发明的激光器散热装置100的气流密度均匀，镜片周围温度较低，不存在镜片附近温度集中的情况，因此能够避免镜片产生热变形的情况。而现有的激光器箱体内的镜片附近温度不均匀，且温度最高，即现有的激光器箱体的镜片存在因气体热效应而导致热变形的风险。

图12为本发明的激光器散热装置100的传导热通量示意图，图13为现有的激光器箱体的传导热通量示意图。对比图12和图13可知，本发明的激光器散热装置100的传导热通量较大，即热流密度较大，散热效果更好。而现有的激光器箱体的传导热通量较小，对应的热流密度较小，散热方向的一致性也较差，其散热效果较差。

综上分析，本发明的激光器散热装置100的对流散热效果和气流密度均匀性均优于现有的激光器箱体，本发明解决了气体热效应导致镜片热变形的技术问题，提供了一种能够确保激光传输稳定性的激光器散热装置。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光器散热装置，其特征在于，包括多个均匀布置在激光器的箱体内的传感器、可通信地连接于所述传感器的处理器、设置在激光器的箱体前的气体箱和沿所述气体箱的进气方向依次间隔设置于所述气体箱内的第一过滤件、第二过滤件以及半导体制冷集成装置；

其中所述箱体内设置有镜片，所述镜片的侧面设置有至少一个所述传感器，所述传感器用于监测所述箱体和所述镜片的温度，并将对应的温度信号反馈至所述处理器，所述处理器可通信地连接于所述半导体制冷集成装置，用于基于所述传感器反馈的温度信号输出制冷电信号至所述半导体制冷集成装置，以控制所述半导体制冷集成装置的工作。

2.根据权利要求1所述的激光器散热装置，其特征在于，所述气体箱界定形成有用于容置所述第一过滤件、所述第二过滤件以及所述半导体制冷集成装置的容置槽，且所述气体箱的远离于所述箱体的一侧设置有供气体进入的气体进口，靠近于所述箱体的一侧设置有贯通所述容置槽的箱体接口，所述箱体接口用于与所述箱体形成连接。

3.根据权利要求2所述的激光器散热装置，其特征在于，所述第一过滤件设置有多个贯通所述氮气进口的第一过滤通道，所述第二过滤件设置有多个贯通所述第一过滤通道的第二过滤通道，所述半导体制冷集成装置包括制冷主体、间隔设置于所述制冷主体的多个气体通道、以及设置于所述气体通道内的半导体制冷片，所述箱体设置有多个穿孔。

4.根据权利要求3所述的激光器散热装置，其特征在于，各所述气体通道内设置有四个半导体制冷片，各所述半导体制冷片的制冷端与所述气体通道的表面相接触，制热端集成在所述制冷主体内部。

5.根据权利要求3所述的激光器散热装置，其特征在于，所述第一过滤件、所述第二过滤件以及所述制冷主体均为铝板。

6.根据权利要求3所述的激光器散热装置，其特征在于，所述第一过滤通道的直径大于所述第二过滤通道的直径。

7.根据权利要求6所述的激光器散热装置，其特征在于，所述第一过滤通道的直径为2～5mm；和/或，所述第二过滤通道的直径为0.5～1.5mm；和/或，所述气体通道的间隔为5～15mm；和/或，所述制冷片主体的厚度为5～15mm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的激光器散热装置，其特征在于，所述第一过滤件、所述第二过滤件以及所述半导体制冷集成装置在所述气体箱内的间隔为8～16mm，所述箱体内设置的所述传感器为热偶传感器，数量为8～10个。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光器散热装置的工作方法，其特征在于，包括步骤：

传感器实时检测激光器的箱体和所述箱体内的镜片温度，在所述传感器检测温度超出预设升温幅度时，输出温度信号至处理器，所述预设升温幅度为所述箱体升温后的实时温度与初始温度之间的差值；

处理器接收所述温度信号而输出对应的制冷信号至半导体制冷集成装置；

将气体输入气体箱，气体依次通过第一过滤件和第二过滤件后进入所述半导体制冷集成装置的气体通道；

所述半导体制冷集成装置的半导体制冷片接收所述制冷信号后开始制冷，从而使得所述气体通道内的气体温度降低；

降温后的气体进入所述箱体内，降低所述箱体和所述镜片的温度，在所述传感器检测到所述箱体和所述镜片的温度降低至初始温度时，所述处理器控制所述半导体制冷片停止工作。

10.根据权利要求9所述的激光器散热装置的工作方法，其特征在于，所述预设升温幅度设置为3度。