CN1972038A - 固体薄片激光器的冷却结构 - Google Patents

Abstract

一种固体薄片激光器的冷却结构，该激光器由多个模块组成，其中每个模块由两个平行放置的增益介质薄片构成，以一定距离间隔放置，在每个模块内部有冷却结构，抽运光束(半导体抽运源)由模块的两侧以平行或呈一定角度入射到薄片介质的表面。在左边介质薄片的右侧面和右边薄片的左侧面分别附着两个金刚石热沉，在两个金刚石热沉之间构成一个液体冷却通道，以便对热沉进行冷却。本发明的冷却结构可实现对高功率薄片激光介质的冷却，在改善其内部的应力分布同时，有效减小介质薄片的变形。

Description

固体薄片激光器的冷却结构

技术领域

本发明涉及固体薄片激光器，特别是一种固体薄片激光器的冷却结构。

技术背景

在高平均功率固体激光器的发展中，激光介质的热效应一直是制约提高激光器输出的激光能量和光束质量的一个主要因素。对于连续运转激光器，实时冷却带来的温度梯度会导致热透镜效应、应力双折射、热致退偏等不良效应。为了改善和减轻激光介质中非均匀的热分布，可以通过很多途径。

其一：采用激光二极管(Laser Diode，简称LD)抽运。用LD来代替传统的闪光灯抽运固体激光介质，可以显著降低介质中的废热，并且具有更高的使用寿命和效率。

其二：改变激光介质的几何形状。棒状增益介质在高平均功率运转下会产生严重的热透镜效应，同时由于冷却方式的限制也会导致激光介质内外温度梯度过大而引起炸裂。而采用板状、片状激光介质，可以增加被冷却表面的面积，介质内的热流可近似为一维分布，在很大程度上减轻了热致效应。

其三：通过优化抽运及激光发射方向，使热梯度与激光传输方向一致，可以减小热畸变对光束质量的影响，例如在板条激光器中采用Z形光路，可进一步消除板内的圆柱聚焦现象。

在上述已有的解决方案中，薄片激光器(一般指口径/厚度＝10~50∶1)由于在降低热透镜效应和热致应力双折射方面的优异表现，以及易于定标放大等优点成为实现高功率、高光束质量激光输出较好的技术途径。在研制薄片激光器过程中，比较关键的技术有：如何实现抽运光的均匀及对介质薄片内部废热的有效管理。上述两方面技术是实现热流均匀分布，降低热致效应，即降低介质内的应力避免其断裂的关键所在。

分析单面冷却的薄片介质允许吸收的最大热功率，可通过下式计算得出^[1]：

P_max＝3RbS/l         (1)

其中：R为被冷却介质的热冲击参数，b为安全系数，S为抽运区面积，l为介质的厚度。

当平均抽运功率为P时，介质吸收抽运光功率所产生的热功率为：

Q＝η_∞η_aηP         (2)

其中：η_∞为系统的耦合效率，η_a为介质对抽运光的吸收效率，η为介质的产热比，P为抽运源输出的最大平均功率。

由式(1和(2)，可以估算薄片介质在一定抽运条件下产生的热量及其合理的热量控制。对于薄片介质的冷却，已有的方法是将薄片介质焊接在高效冷却的热沉上进行散热的，因此热沉的散热能力将是实现热量快速疏散的重要保证。

我们知道，在地球上已知的固体物质中，金刚石材料在室温下具有最高的导热系数和良好的电绝缘性，而且它在电子器件冷却方面也是一种比较理想的热沉材料。这种材料在光波段透明，能够实现与激光介质的紧密接触，对激光介质吸收抽运能量的影响非常小，上述优点决定了金刚石材料在薄片激光器冷却结构中应用的潜力。H.P.Chou等提出了一种三明治薄片激光器结构，该结构通过采用金刚石薄片散热得到了良好的冷却效果[SPIE，2004，5448：550-560]，王军荣等人研究了金刚石冷却方案与其它方案在冷却侧面抽运激光介质条件下的冷却效果，结果表明金刚石冷却方案优于蓝宝石、复合介质等冷却方案[光学学报，2005，25(6)：829-834]。

发明内容

本发明的目的是提供一种固体薄片激光器的冷却结构，本结构应能够实现对高平均功率激光输出下的薄片工作介质有效冷却，可缓解薄片内的温度梯度，改善其内部的应力分布，减小薄片介质的变形。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种固体薄片激光器的冷却结构，该激光器由多个模块组成，其中每个模块的构成包括：两片尺寸、性能均相同、平行且间隔放置的左薄片激光介质和右薄片激光介质；分别贴合于左薄片激光介质内侧的第一金刚石热沉和右薄片激光介质内侧的第二金刚石热沉；由第一金刚石热沉、第二金刚石热沉、上端密封装置和下端密封装置一起构成冷却介质通道，冷却介质入口在上端密封装置上，冷却介质出口在下端密封装置上，在左薄片激光介质和右薄片激光介质的外侧分别设有平行或呈一定角度入射的右抽运源和左抽运源。

所述的薄片激光介质为Yb:YAG晶体或Nd:YAG晶体薄片。

所述的冷却介质为水或者气体。

下面采用有限元分析软件ANSYS对本发明结构的模拟计算的结果描述如下。

由于所研究对象的几何结构和承受载荷具有对称性，我们选取左侧薄片介质4的1/4部分，来进行温度场和热应力场的数值仿真(见图1)。坐标系原点选取为薄片的圆心。假设抽运源发出的光经耦合系统后沿z轴方向入射，光强在x-y平面上分布均匀。由于被介质吸收的抽运光能仅有一部分转化为激光输出能量，其余大部分能量被介质吸收后转化为热，其作用可等效为一个存在于介质内部的虚拟内热源q_v，可表示为：

$q_v=\mathrm{\α}\frac{Q}{A}\·(e^{-\mathrm{\αz}}+e^{-\mathrm{\α}(2B-z)})---\left(3\right)$

其中：α为吸收系数(m^-1)，Q为介质吸收抽运光功率而产生的热功率(W)，A为有效抽运面积(m²)，B为单个薄片的厚度，因此q_v在薄片的厚度方向上是一个随着坐标z变化的变量，模拟的结果：单个薄片内热源q_v的分布示意图，见图2。

将一定厚度的金刚石粘接于两个平行薄片激光介质的内侧，两块金刚石片热沉之间形成一定尺寸的通道。介质内产生的热量可由相邻的金刚石传导带走，而流通在两块金刚石片之间的冷却介质5可同时疏散金刚石传导出的热量。

图3为由激光二极管阵列抽运的Nd:YAG薄片沿厚度方向的温度分布，其中曲线1对应于对非抽运面直接进行水冷时的情况，曲线2对应于采用本发明冷却方法的情况。由数值模拟结果可知，采用本发明的冷却结构和冷却方法，可以有效降低薄片介质的温度，同时，使介质内的应力分布比较均匀。

本发明的优点在于：采用双薄片激光介质及双金刚石片热沉，冷却介质在金刚石热沉构成的冷却通道内流通。金刚石可以有效传导出薄片激光介质内的废热，而其侧面通道内的冷却介质能及时疏散金刚石传导出的热量，具有较高的换热效率。同时，金刚石具有比激光介质低的热膨胀系数，与铜等热膨胀系数比激光介质高的热沉相比较，有利于减轻激光介质的变形。此外采用本发明的双薄片激光介质及金刚石片热沉的结构，在获得良好的冷却效果同时，易于实现模块化及功率的定标放大。

附图说明

图1为采用有限元分析软件对本发明结构的温度场和热应力场进行数值仿真的建模示意图

图2为本发明单个薄片内热源的分布示意图

图3为由激光二极管阵列抽运的Nd:YAG薄片沿厚度方向的温度分布

图4为本发明双薄片激光介质和金刚石热沉固体激光器结构的总体示意简图

图5为本发明冷却结构实施例的部分剖视图(Y-Z剖面)

图中：1为左薄片激光介质的外侧面，2为第一金刚石热沉，3为第一金刚石热沉的内冷却表面，4为左薄片激光介质，5为冷却介质，6为第二金刚石热沉，7为右薄片激光介质，8为右抽运源、9为左抽运源，10为上端密封装置，11为冷却介质入口，12为冷却介质通道，13为下端密封装置，14为冷却介质出口。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明方法作详细说明。

参见图4和图5，其中图4是本发明双薄片激光介质和金刚石热沉固体激光器结构的总体示意简图，图5为本发明冷却结构实施例的部分剖视示意图。由图4可知，本发明固体薄片激光器的冷却结构，该激光器由多个模块组成，其中每个模块的构成包括：

1)两片尺寸、性能均相同、平行且间隔放置的左薄片激光介质4和右薄片激光介质7。可以选择Yb:YAG晶体或Nd:YAG晶体薄片，或者为其它适合作为薄片激光器使用的激光介质。在左薄片激光介质4、右薄片激光介质7的外侧分别为平行或呈一定角度入射的右抽运源8和左抽运源9。

2)两片分别结合于左侧薄片激光介质4内侧的第一金刚石热沉2和右薄片激光介质7内侧的第二金刚石热沉6。由第一金刚石热沉2与第二金刚石热沉6，及上端密封装置10、下端密封装置13一起构成冷却介质5的通道12。

3)借助上端密封装置10和下端密封装置13，并将上述的激光介质和金刚石装配成一个模块，冷却介质入口11在上端密封装置10上，冷却介质出口14在下端密封装置13上。

在本实施例的具体结构参数为：所述的薄片激光介质4和7为φ13mm×1mm的Nd:YAG薄片，金刚石热沉2、6尺寸为φ14mm×0.5mm，冷却通道宽度为1mm，冷却介质5为15℃的水，流速为7.5m/s，抽运源8和抽运源9分别为平均输出功率约450W的激光二极管阵列。并假设有效抽运口径为φ13mm，环境温度为15℃。

通过选取整个结构的1/4作为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS的热-结构耦合模块进行了仿真模拟，得到薄片介质及金刚石热沉内的稳态温度场分布。由结果可知，本实施例的激光器在稳态运转下，薄片激光介质内的温差约为16℃，薄片激光介质整体的最高温升约为44℃。由于金刚石具有极佳的导热性，因此其内部保持均匀的温度分布。图3为未采用本发明冷却结构与采用本发明冷却结构的温度分布曲线，其中曲线1为未采用本发明冷却结构的温度分布曲线，而曲线2为采用本发明冷却结构的温度分布曲线，可以看出，本发明的冷却结构具有更好的冷却效果。同时，实验表明，本实施例中薄片激光介质内的应力场分布均匀程度得以改善，变形也有所减小。

Claims (4)

1、一种固体薄片激光器的冷却结构，其特征在于该激光器由多个模块组成，其中每个模块的构成包括：两片尺寸、性能均相同、平行且间隔放置的左薄片激光介质(4)和右薄片激光介质(7)；分别贴合于左薄片激光介质(4)内侧的第一金刚石热沉(2)和右薄片激光介质(7)内侧的第二金刚石热沉(6)；由第一金刚石热沉(2)、第二金刚石热沉(6)、上端密封装置(10)和下端密封装置(13)一起构成冷却介质通道(12)，冷却介质入口(11)在上端密封装置(10)上，冷却介质出口(14)在下端密封装置(13)上，在左薄片激光介质(4)和右薄片激光介质(7)的外侧分别设有平行或呈一定角度入射的右抽运源(8)和左抽运源(9)。

2、根据权利要求1所述的固体薄片激光器的冷却结构，其特征在于所述的薄片激光介质为Yb：YAG晶体或Nd：YAG晶体薄片。

3、根据权利要求1所述的固体薄片激光器的冷却结构，其特征在于所述的冷却介质为水或者气体。

4、根据权利要求1至3任一项所述的固体薄片激光器的冷却结构，其特征在于所述的抽运源为激光二极管阵列。

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