CN218850081U - 一种用于激光器固体增益介质的温控装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光器增益介质温度控制技术领域，尤其涉及一种用于激光器固体增益介质的温控装置。该用于激光器固体增益介质的温控装置包括：散热组件；夹持组件，设置在散热组件的顶面，用于夹持固体增益介质；温度传感器，设置在夹持组件上，用于监测夹持组件的温度；温度调节器，设置在散热组件与夹持组件之间；温度调节器的底面抵接在散热组件的顶面，温度调节器的顶面抵接在夹持组件的底面；温控模块，分别与温度调节器和温度传感器连接；其中，温控模块被配置为：获取到温度传感器的监测温度，并根据监测温度，向温度调节器发出调节温度的指令。本申请一种用于激光器固体增益介质的温控装置能够实现对固体增益介质的精准控温。

Description

一种用于激光器固体增益介质的温控装置

技术领域

本申请涉及激光器增益介质温度控制技术领域，尤其涉及一种用于激光器固体增益介质的温控装置。

背景技术

在固体激光器中，需要通过固体增益介质来进行激光功率和能量放大，而激光经过固体增益介质时会产生热量，使固体增益介质的温度发生变化。由于固体增益介质的性能对温度十分敏感，因此，若要保持固体增益介质性能稳定，需要精确控制增益介质的温度。

对于固体增益介质的温度控制，传统方法是通过风冷散热或水冷散热等方式实现，根据已公开的相关资料，无论是风冷散热还是水冷散热，大部分结构仅能够粗略的控制温度，例如将温度控制在±1℃。若要将实现精确控温，例如，温度控制在±0.1℃，通过风冷散热或水冷散热等是无法达到的。

此外，在固体增益介质工作的初期，温度无法达到工作温度，因此需要对固体增益介质进行精确升温，以便使得固体增益介质尽快进入工作状态，显然，风冷散热或水冷散热等方式是无法实现精确升温的。

因此，亟需提出一种控温方法能够实现固体增益介质的精确温控，例如精确升温和精确降温。

实用新型内容

本申请涉及一种用于激光器固体增益介质的温控装置，能够解决固体增益介质温度控制精确性差的问题。

本申请提供一种用于激光器固体增益介质的温控装置，包括：

散热组件；

夹持组件，设置在所述散热组件的顶面，用于夹持所述固体增益介质；

温度传感器，设置在所述夹持组件上，用于监测所述夹持组件的温度；

温度调节器，设置在所述散热组件与所述夹持组件之间；所述温度调节器的底面抵接在所述散热组件的顶面，所述温度调节器的顶面抵接在所述夹持组件的底面；

温控模块，分别与所述温度调节器和所述温度传感器连接；其中，

所述温控模块被配置为：获取到所述温度传感器的监测温度，并根据所述监测温度，向所述温度调节器发出调节温度的指令。

可实施的一种方式中，所述夹持组件包括：

热沉底座，设置在所述温度调节器的顶面，且所述热沉底座的背离所述温度调节器的一侧具有夹持部，所述夹持部夹用于持所述固体增益介质；

热沉盖，覆盖在所述夹持部的上方，并与所述夹持部合围形成用于容纳所述固体增益介质的容纳空间；

固定部，用于将所述热沉盖固定在所述热沉底座上。

可实施的一种方式中，所述夹持部包括：

第一梯形块和第二梯形块，所述第一梯形块和第二梯形块镜像设置，所述第一梯形块和所述第二梯形块的顶边相对，且间隔形成用于容纳所述固体增益介质的间隙，其中，

所述热沉盖通过所述固定部分别固定在所述第一梯形块和所述第二梯形块上。

可实施的一种方式中，所述固定部包括：

锁紧螺钉，包括螺帽和螺杆，所述螺帽与所述螺杆连接，且所述螺杆穿过所述热沉盖，与所述热沉底座螺接；

压缩弹簧，套设在所述螺杆上，所述压缩弹簧的一端抵接在所述热沉盖，另一端抵接在所述螺帽。

可实施的一种方式中，所述散热组件包括：

水冷散热底座；

所述水冷散热底座包括水路，所述水路的入水口和出水口分别设置在所述水冷散热底座的侧壁，且所述入水口和所述出水口分别对应设有入水口管接头和出水口管接头。

可实施的一种方式中，所述水路设置在所述水冷散热底座内。

可实施的一种方式中，所述散热组件还包括：

水冷密封板，封盖在所述水冷散热底座的底面；所述水冷散热底座的底面开设有沟槽，所述水路由所述水冷密封板和所述沟槽合围构成；

密封圈，至少部分嵌入所述水冷散热底座的底面，以使所述密封圈、所述水冷密封板和所述水冷散热底座的底面合围，形成阻止所述水路内的水漏至所述水冷散热底座外的密封区域。

可实施的一种方式中，所述温度传感器一端插入所述夹持组件内，另一端与所述温控模块连接。

可实施的一种方式中，其特征在于，所述温度调节器包括半导体制冷器；

所述温度调节器被配置为：接收温控模块输出的电压，并响应于电压对所述夹持组件进行吸热或放热的动作。

可实施的一种方式中，所述温控模块还被配置为：向所述温度调节器输出第一电压；接收所述温度传感器的监测温度，并将监测温度与预设温度比较，将比较结果换算成第二电压；将所述第二电压输出至所述温度调节器。

有益效果：

利用夹持组件夹持固体增益介质，实现固体增益介质的固定。在夹持组件和散热组件之间设置温度调节器，能够利用温度调节器对夹持组件进行精准的升温和降温，同时散热组件能够提供给温度调节器热量或者能够吸收温度调节器产生的热量，以便实现控温误差在±0.1℃。

此外，在夹持组件上设置温度传感器，用于监测夹持组件的温度，实现对夹持组件温度的实时监控。温控模块获取到温度传感器监测到的温度后，向温度调节器发出调节温度的指令，以便温度调节器能够根据接收到的指令进行温度补偿，实现精准的控温。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为一种用于激光器固体增益介质的温控装置的立体图；

图2为一种用于激光器固体增益介质的温控装置的侧视图；

图3为一种用于激光器固体增益介质的温控装置的夹持组件结构示意图；

图4为一种用于激光器固体增益介质的温控装置的水冷散热底座的仰视图；

图5为图2的A-A方向的剖视图；

图6为一种用于激光器固体增益介质的温控装置的温度调节器的结构图；

图7为一种用于激光器固体增益介质的温控装置的温控模块的原理图。

附图标记：

1-夹持组件；11-热沉底座；12-热沉盖；13-固定部；131-锁紧螺钉；132-压缩弹簧；14-夹持部；141-第一梯形块；142-第二梯形块；

2-散热组件；21-水冷散热底座；22-水路；221-入水口；222-出水口；223-入水口管接头；224-出水口管接头；23-水冷密封板；24-密封圈；25-沟槽；

3-温度调节器；31-第一引线；32-第二引线；33-第一陶瓷面；34-第二陶瓷面；35-TEC模块；

4-温度传感器；5-铟箔；6-固体增益介质；7-温控模块。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

为便于对申请的技术方案理解，以下首先在对本申请所涉及到的一些概念进行说明。

固定体增益介质(激光工作物质)，是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质。在固体激光器中，增益介质通常为固体，比如块状增益介质或者棒状增益介质。

半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)，是指利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。

如图1和图2所示，本申请提供了一种用于激光器固体增益介质的温控装置，包括散热组件2、夹持组件1、温度传感器4、温度调节器3和温控模块7。

其中，夹持组件1设置在散热组件2的顶面，夹持组件1背离所述散热组件2的一侧夹持固定体增益介质6，以使固定体增益介质6固定在夹持组件1上。

温度传感器4设置在夹持组件1上，用于监测夹持组件1的温度。

温度调节器3设置在散热组件2与夹持组件1之间，具体地，温度调节器3的底面抵接在散热组件2的顶面，温度调节器3的顶面抵接在夹持组件1的底面。一方面，温度调节器3能够吸收夹持组件1工作时产生的热量，并将热量传递至散热组件2，从而使夹持组件1降温；另一方面，温度调节器3还能够将散热组件2的热量传递至夹持组件1，使夹持组件1升温。优选地，温度调节器3可为半导体制冷器。利用半导体制冷器的珀尔帖效应，可以实现温度调节器3一面吸热，另一面散热的效果。例如：如果温度调节器3顶面吸热，底面散热，就可以对夹持组件1进行降温，如果温度调节器3顶面散热，底面吸热，就可以对夹持组件1进行升温。

温控模块7分别与所述温度调节器3和温度传感器4连接。温控模块7被配置为：获取到温度传感器4的监测的温度，根据监测到的温度，向温度调节器3发出调节温控的指令。

具体地，温度传感器4监测到夹持组件1的温度后，将监测的温度传输给温控模块7，温控模块7在接收到监测的温度后，根于预设温度，计算温度差，基于温度差向温度调节器3发出温度调节的指令，以便温度调节器3在接收到调节指令后，执行相应的动作。

需要说明地是，温控模块7根据预设温度，计算出温度差后，会将温度差转换为直流电压，并将直流电压作为温度调节指令，传输给温度调节器3，温度调节器3根据接收到的电流进行吸散热的动作，实现对夹持组件1温度的精准调节。

本实施例中，利用温度调节器3采集到夹持组件1的温度，再将采集到的温度传输给温控模块7。温控模块7会根据夹持组件1的目前温度与预设温度进行比对，进行计算，得出夹持组件1目前温度与预设温度的温度差。接下来，温控模块7将温度差对应转换成直流电压，并将直流电压传输给温度调节器3。然后，温度调节器3响应于直流电压，对夹持组件1进行升降温，从而实现夹持组件1的温度调节。

另外，温度传感器4可以每间隔设定的时间对夹持组件1采集一次温度，并传输给温控模块7。这样，温控模块7会根据温度传感器4采集到的温度向温度调节器3下发相应的指令。不断重复该动作即可对夹持组件1温度的精准监测。

如图2、图3和图7所示，在一个实施例中，夹持组件1包括热沉底座11、热沉盖12和固定部13。

其中，热沉底座11设置在温度调节器3的顶面，并与温度调节器3贴合，以便温度调节器3在对夹持组件1进行温度调节时，能够更好进行散热。热沉底座11背离温度调节器3的一侧具有夹持部14，夹持部14与热沉底座11为一体式或分体式结构。夹持部14用于将固体增益介质夹持固定。

热沉盖12覆盖在夹持部14的上方，并与夹持部14合围形成用于容纳固体增益介质6的容纳空间。

具体地，将固体增益介质6置于容纳空间的情况下，固体增益介质6的底部与热沉底座11顶面接触，相对的两个侧面分别被夹持部14夹持，顶面抵接在热沉盖12上。利用热沉底座11顶面、夹持部14和热沉盖12可以形成容纳固体增益介质6的容纳空间。

需要说明地是，为了避免固体增益介质6与夹持部14、热沉盖12和热沉底座11之间形成间隙，影响热传递效率，可在固体增益介质的周向壁上包裹铟箔5，以使铟箔5与夹持部14、热沉盖12和热沉底11座直接接触良好，能够提高固体增益介质6与夹持部14、热沉盖12和热沉底座11的热传递效率及消除工件加工间隙。

固定部13用于将热沉盖12固定在热沉底座11上。

本实施例中，利用热沉底座11、夹持部14以及热沉盖12将固体增益介质6置固定。固体增益介质置6工作时产生的热量，传递给热沉底座11、夹持部14以及热沉盖12。这样，温度传感器4即可监测到热沉底座11的温度，并将温度传递给温控模块7。接下来，温控模块7控制温度调节器3对热沉底座11进行精准温控。

如图3所示，在一个实施例中，夹持部14包括第一梯形块141和第二梯形块142。

其中，第一梯形块141和第二梯形块142镜像设置，第一梯形块141和所述第二梯形块142的顶边相对，且间隔形成用于容纳固体增益介质6的间隙。

第一梯形块141的顶边长度至少大于等于固体增益介质置6的长度。

第一梯形块141和第二梯形块142形成对固体增益介质置6相对侧面的夹持。

本实施例中，夹持部14为两个梯形块构成，顶边与固体增益介质6接触，利用梯形块的自身形状加快固体增益介质6的散热。另外梯形块的结构能够增加与热沉盖12的接触面积，进一步提高自身散热效果。

如图3所示，在一个实施例中，固定部13包括锁紧螺钉131和压缩弹簧132。

其中，锁紧螺钉131包括螺帽和螺杆，螺杆的一端设置有螺帽，螺杆未设置有螺帽的一端插入，并穿过热沉盖12后与热沉底座11顶面具有的夹持部14螺接。

压缩弹簧132套设在螺杆上，压缩弹簧132的一端抵接在螺帽上，另一端抵接在热沉盖12上。若螺杆穿过热沉盖12的通孔为阶梯孔的情况下，压缩弹簧132部分嵌入阶梯孔内，并抵接在阶梯孔的阶梯台面。

本实施例中，利用锁紧螺钉131将热沉盖12和热沉底座11固定从而实现对固体增益介质6的夹持。进一步地，为了避免锁紧螺钉131在固定热沉盖12和热沉底座11的过程中损坏固体增益介质6，在锁紧螺钉131的螺杆上套设有压缩弹簧132。利用压缩弹簧132的弹性，使得热沉盖12能沿锁紧螺钉131长度方向小幅度的位置调整，将原本的刚性连接，变为弹性连接。

如图4和图5所示，在一个实施例中，散热组件2包括水冷散热底座21。

其中，水冷散热底座21包括水路22，水路22的入水口221和出水口222分别设置在水冷散热底座21的侧壁，并且在水冷散热底座21侧壁的入水口221和出水口222对应位置分别设有入水口管接头223和出水口管接头224，以便将入水口管接头224连接入水管路，出水口管接头224连接出水管路。这样，入水管路、出水管路和水路22可以组成水冷散热底座21的循环水路，实现水冷散热底座21的散热。循环水路中的水流能够将温度调节器3传输给水冷散热底座21的热量带走，实现温度调节器3的降温。

具体地，水路22可设置在水冷散热底座21内，也可设置在水冷散热底座21外。

其中，水路22设置在水冷散热底座21内的情况为：

在水冷散热底座21内沿水平方向开设有弯曲的通道，通道的两端口置于水冷散热底座21的侧壁，其中一个端口为入水口，另外一个端口为出水口。弯曲的通道能够增加水在水冷散热底座流动的时间，提高水冷散热底座21的散热效果。

水路22设置在水冷散热底座21外的情况：

在水冷散热底座21的底面开设弯曲的沟槽25，作为水路22。弯曲的沟槽25效果与弯曲的通道作用效果相同，此处不再赘述。为了将沟槽25密封，散热组件还包括水冷密封板23和密封圈24。水冷密封板23设置在水冷散热底座21的底面，并将沟槽25封盖。进一步地，为了提高水冷密封板23与水冷散热底座21的密封效果，在水冷密封板23与水冷散热底座21之间设有密封圈24，密封圈24至少部分嵌入所述水冷散热底座21的底面。密封圈24、所述水冷密封板23和所述水冷散热底座21的底面合围，形成阻止所述水路22内的水漏至所述水冷散热底座21外的密封区域。

本实施例中，水冷散热底座21上设置有水路22，利用水路22形成水冷散热，可以将温度调节器3传输给水冷散热底座21的热量带走。

如图1所示，在一个实施中，温度传感器4一端插入所述夹持组件1内，另一端与所述温控模块7连接。

其中，温度传感器4数量可以根据需要设定，为了提高监测的准确性，可以将温度传感器4部分嵌入在夹持组件1内，具体地，将温度传感器4嵌入在夹持部14，以便准确测量夹持组件1的内部温度。

如图1和图6所示，在一个实施例中，温度调节器3优选为半导体制冷器的情况下，温度调节器3被配置为：接收温控模块7输出的电压，并响应于电压对夹持组件进行吸热或放热的动作。

其中，半导体制冷器具有相对的两个陶瓷面以及TEC模块35。两个陶瓷面分别为第一陶瓷面33和第二陶瓷面34，其中，第一陶瓷面33与夹持组件1的底面抵接，第二陶瓷面34与散热组件2的顶面抵接。第一陶瓷面33吸收热量后，可以将热量传输至第二陶瓷面34被释放。由于第一陶瓷面33和第二陶瓷面34的温度可以相对变化，因此，半导体制冷器能够用来对夹持组件1进行精准控温。

TEC模块35连接两跟引线，为便于描述，这里将两根引线分别称作第一引线31和第二引线32，两根引线连接在电路中时，存在两种电压方向，一种电压方向为正向，另一种电压方向为负向。

电压方向为正向时，直流电流由第一引线31进，第二引线32出，此时第一陶瓷面33吸收夹持组件1的热量，接下来，第二陶瓷面34将第一陶瓷面33吸收的热量传递至散热组件2。

电压方向为负向时，直流电流由第二引线32进，第一引线31出，此时第一陶瓷面33散热为夹持组件1提供热量使夹持组件1升温，第二陶瓷面34吸热。

半导体制冷器释放的热量需要及时的被带走，否则第一陶瓷面33和第二条陶瓷面34的温差越来越大，容易损坏TEC模块35。因此，半导体制冷器与散热组件2抵接，散热组件2利用水路22能够快速的将半导体制冷器释放的热量带走，以保证半导体制冷器的正常工作。

如图1、图6和图7所示，在一个实施例中，温控模块7还被配置为：向温度调节器3输出第一电压；接收温度传感器4的监测温度，并将监测温度与预设温度比较，将比较结果换算成第二电压；将所述第二电压输出至所述温度调节器3。其中，第一电压和第二电压均为直流电压。

首先，温度调节器3在接收到第一电压后，响应于第一电压开始工作，对夹持组件1进行温度调整。然后，温度传感器4在温度调节器3工作预设时间后开始采集夹持组件1的温度，并每隔一个预设时间段采集一次夹持组件1的温度，预设时间可以设置成1秒、2秒或2.5秒等。再然后，待温度传感器4采集到夹持组件1的温度后，将采集的温度传输给温控模块7。接下来，温控模块7会将温度传感器4采集到的温度与预设温度比较，并计算温度差，基于温度差输出第二电压。其中，根据温度差正或负的结果，第二电压可以相应的为正向电压或负向电压。最后，向温度调节器3输出第二电压，第二电压相应的控制与TEC模块35连接的第一引线31进和第二引线32出或者第二引线32进和第一引线31出，从而完成温度调节器3对夹持组件1的精准控温。

示例性地，温控模块7将接收到由温度传感器4传输的温度后，将该温度减去预设温度，作为温度差，包括下述两种情况：

当计算温度差的结果为正值时，温控模块7向温度调节器3发出的第二电压为正向电压，此种情况下，直流电流由第一引线31进入TEC模块35，并由第二引线32出，形成电路的回路。TEC模块35控制第一陶瓷面33吸收夹持组件1的热量，并利用TEC模块35将热量传输给第二陶瓷面34。接下来，由散热组件2将第二陶瓷面34散发的热量带走，完成夹持组件1的降温。

当计算温度差的结果为负值时，温控模块7向温度调节器3发出的第二电压为负向负压，此种情况下，直流电流由第二引线32进入TEC模块35，并由第一引线31出，形成电路的回路。TEC模块35控制第二陶瓷面34散发热量，并利用TEC模块35将热量传输给第一陶瓷面33，接下来，第一陶瓷面33为抵接的夹持组件1升温。

本实施例中，利用温度传感器4间隔预设时间采集，持续对夹持组件1进行温度采集，温控模块7会根据温度传感器4采集到的温度间隔预设时间向温度调节器3输出第二电压，以便温度调节器3能够在每个预设时间调整一次夹持组件1的温度，在不断的对夹持组件1的温度调整的情况下，使得夹持组件1的控温误差在±0.1℃，实现了对夹持组件1的精准控温。

以上实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，包括：

散热组件；

夹持组件，设置在所述散热组件的顶面，用于夹持所述固体增益介质；

温度传感器，设置在所述夹持组件上，用于监测所述夹持组件的温度；

温度调节器，设置在所述散热组件与所述夹持组件之间；所述温度调节器的底面抵接在所述散热组件的顶面，所述温度调节器的顶面抵接在所述夹持组件的底面；

温控模块，分别与所述温度调节器和所述温度传感器连接；其中，

所述温控模块被配置为：获取到所述温度传感器的监测温度，并根据所述监测温度，向所述温度调节器发出调节温度的指令。

2.如权利要求1所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述夹持组件包括：

热沉底座，设置在所述温度调节器的顶面，且所述热沉底座的背离所述温度调节器的一侧具有夹持部，所述夹持部夹用于夹持所述固体增益介质；

热沉盖，覆盖在所述夹持部的上方，并与所述夹持部合围形成用于容纳所述固体增益介质的容纳空间；

固定部，用于将所述热沉盖固定在所述热沉底座上。

3.如权利要求2所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述夹持部包括：

第一梯形块和第二梯形块，所述第一梯形块和所述第二梯形块镜像设置，所述第一梯形块和所述第二梯形块的顶边相对，且间隔形成用于容纳所述固体增益介质的间隙，其中，

所述热沉盖通过所述固定部分别固定在所述第一梯形块和所述第二梯形块上。

4.如权利要求2所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述固定部包括：

锁紧螺钉，包括螺帽和螺杆，所述螺帽与所述螺杆连接，且所述螺杆穿过所述热沉盖，与所述热沉底座螺接；

压缩弹簧，套设在所述螺杆上，所述压缩弹簧的一端抵接在所述热沉盖，另一端抵接在所述螺帽。

5.如权利要求1所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述散热组件包括：

水冷散热底座；

所述水冷散热底座包括水路，所述水路的入水口和出水口分别设置在所述水冷散热底座的侧壁，且所述入水口和所述出水口分别对应设有入水口管接头和出水口管接头。

6.如权利要求5所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述水路设置在所述水冷散热底座内。

7.如权利要求5所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述散热组件还包括：

水冷密封板，封盖在所述水冷散热底座的底面；所述水冷散热底座的底面开设有沟槽，所述水路由所述水冷密封板和所述沟槽合围构成；

密封圈，至少部分嵌入所述水冷散热底座的底面，以使所述密封圈、所述水冷密封板和所述水冷散热底座的底面合围，形成阻止所述水路内的水漏至所述水冷散热底座外的密封区域。

8.如权利要求1所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述温度传感器一端插入所述夹持组件内，另一端与所述温控模块连接。

9.如权利要求1-8中任一项所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述温度调节器包括半导体制冷器；

所述温度调节器被配置为：接收温控模块输出的电压，并响应于电压对所述夹持组件进行吸热或放热的动作。

10.如权利要求9所述的用于激光器固体增益介质的温控装置，其特征在于，所述温控模块还被配置为：向所述温度调节器输出第一电压；接收所述温度传感器的监测温度，并将所述监测温度与预设温度比较，将比较结果换算成第二电压；将所述第二电压输出至所述温度调节器。

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