CN2922219Y - 用于固体激光器的冷却温控装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于固体激光器中光学晶体的半导体致冷热管传导温控装置，该装置包括晶体固定架、半导体致冷片和热管散热器。晶体固定架与半导体致冷片的冷端面导热接触，半导体致冷片的热端面与热管散热管的铜块基底座导热接触。热管的蒸发端埋入铜块基底内，热管的冷凝段与置于激光器机壳外部的金属散热鳍片焊接，从而把晶体发出的热量从热管的蒸发端迅速传送到热管的冷凝端，并有效散发到激光器机壳外的环境中。本实用新型结合了半导体制冷和热管相变传热技术，具有可精确温控，高可靠性，无噪音，无污染，迅速散发热量的优点，并可减少激光器内部温度波动，提高了激光器的稳定性。
Description
【技术领域】
本实用新型是涉及一种用于激光器中的温控装置，特别是涉及一种可用于固体激光器中需要致冷的温度控制的晶体，如激光工作物质晶体及非线性晶体等的致冷和温控装置。
【背景技术】
激光技术中的冷却技术主要有水冷、气冷及传导冷却三种方式。水冷可通过特殊设计的冷水机精确控制水温和流量来达到很好的冷却效果，目前绝大部分半导体泵浦固体激光器采用水冷方式冷却泵浦二极管阵列，激光晶体和谐波晶体及声光Q开关。但水冷机体积庞大，需要采用泵、阀等控制元件，这些元件的寿命就决定了水冷系统的工作期限，可靠性受到一定限制，使用维修复杂，并且有漏水风险。商业化的高精度温控水冷机仅能达到±0.1℃的温控精度，但皆为进口机种，价格昂贵。气冷方式适用于低平均功率的激光器。半导体致冷片已用于微型全固态激光器中，如北京清华大学电子工程系固体激光与光电子技术研究所2004年12月16日报导的“高稳定全固态绿光激光器的研究”一文中的微型连续绿光激光器就用半导体致冷片对1W的泵浦二极管进行温度控制以得到与激光晶体吸收波长的最佳匹配，同时对激光系统进行整体温控。有专利报导用于灯泵浦激光器的半导体致冷装置，如CN2249979Y“带半导体制冷装置的激光器”实用新型专利中，半导体致冷片用于致冷管子中的致冷剂(采用能传热的液体，如纯水)，致冷剂液体通过管子冷却整个激光腔体。
因此，需要提供一种可实现高稳定性、高精度温控，用于固体激光器中控制光学晶体温度的温控装置。
【发明内容】
本实用新型的目的是提供一种稳定性强、精度高的用于固体激光器的冷却温控装置。
本实用新型首次将半导体致冷片和热管散热器结合使用于固体激光器中的激光介质晶体(Nd:YVO4，Nd:YLF，Nd:GdVO4等)及非线性晶体(如LBO，BBO，KTP等)上。
半导体致冷片利用珀尔帖(Peltier)效应来移动热量，是一种固态热泵，当直流电流通过致冷片时，热量会被从致冷片的一个端面传送到另一个端面。半导体致冷片是一种没有运动部件的固态器件，具有寿命长(大于20万小时)，工作时无噪音，不释放有害物质(如氟氯烃等)，温度可精确控制等一系列优点。
热管技术是利用相变过程来传递热量的。由于液态与气态相变需要吸收和放出大量的热，所以热管的导热系数比单一金属材料要高出几个数量级。常见的热管均由管壳、吸液芯和端盖组成。先将热管内部抽成负压状态，然后充入适当的液体(低沸点易挥发)。管壁有吸液芯，由毛细多孔材料制成。当热管一端(蒸发端)受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在很小的压力差下流向另一端(冷凝端)重新凝结为液体，并释放出热量。液体在多孔材料的毛细力作用下沿前壁流回蒸发端，如此循环不止，这种循环是快速进行的，并且不消耗能源，热量可以被源源不断地从蒸发端传送到冷凝端。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
提供一种用于固体激光器的冷却温控装置，其包括用于固定光学晶体的晶体固定架、至少一块半导体致冷片和热管散热器，该半导体致冷片的冷端面通过晶体固定架与晶体导热接触，该半导体致冷片的热端面与热管的蒸发端导热接触。
该冷却温控装置进一步包括铜块基底和置于激光器机壳外面的金属散热鳍片，该热管的蒸发端埋入铜块基底内，该半导体致冷片的热端面通过铜块基底与热管的蒸发端导热接触。该热管的冷凝端与散热鳍片连接。
该晶体通过铟箔与晶体固定架导热软接触。晶体固定架可根据晶体的热物理特性设计成适合不同导热特性的几何形状。如对各向异性的晶体，可设计晶体在垂直方向的两个侧面与晶体架导热铜块通过铟箔导热软接触，而晶体在水平方向的两个侧面则与空气接触。这种晶体架可以补偿晶体在垂直和水平方向上热膨胀系数异性造成的热透镜焦距的差异，有利于输出激光光斑的圆形化。晶体固定架也可设计成晶体的四个侧面皆用铟箔与晶体固定架导热软接触，以加快热量的传出。
热管可根据仪器空间等需要而设计其曲线型走向，使热量从高密度热源(如该激光器中的晶体)迅速转移至合适的空间位置(如激光器机壳外的散热鳍片)，使激光器内部不受各晶体发热的影响，减少了激光器内部的温度波动，增加了整个激光器的稳定性。
半导体致冷片用合适的闭环温控电路，由热敏电阻或其它温度敏感元件检测半导体致冷片冷端面的实际温度，与设定的温度值进行比较后给出温度讯号，可实现晶体温度的精确控制，控制精度可达±0.01℃，比优质冷水机的±0.1℃温控精度提高一个数量级。
晶体所发的热量是通过以下路径传递的：晶体→晶体固定架(辅助散热块)→半导体致冷片冷端面→半导体致冷片热端面→热管散热器的铜块基底→热管蒸发端→曲线型热管→热管冷凝端→鳍片状金属散热片→环境。
与现有技术相比，本实用新型有如下有益效果：
本实用新型应用于固体激光器的冷却温控装置采用了半导体致冷片作为晶体的致冷和温控元件，具有可精确控制温度(精确达到±0.01℃)，无运动部件，无噪音，无污染，高可靠性(寿命大于20万个小时)等优点。结合导热系数为纯金属几百倍的热管的相变传热过程，将固体激光器中高密度热源(激光器中的发热晶体)的热量迅速有效地传递到位于激光器机壳外的鳍片散热装器。本实用新型的冷却温控装置不仅能精确控制激光器中个别晶体的温度，而且可以减少激光器内部的温度波动，提高了整个激光器的稳定性。
【附图说明】
图1是本实用新型冷却温控装置的示意图；
图2是本实用新型晶体固定架的结构示意图；
图3是本实用新型晶体固定架的另一结构示意图；
图4是半导体致冷片的工作原理图；
图5是热管的工作原理图。
【具体实施方式】
下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。
请参照图1所示，晶体6通过铟箔10与晶体固定架4导热软接触，晶体固定架4与半导体致冷片3的冷端面9导热接触，半导体致冷片3的热端面8通过热管7的铜块基底2与热管蒸发端7a导热接触。当直流电流通过半导体致冷片3时，热量会被从半导体致冷片3的一个冷端面9传送到热端面8，其原理图见图4。
当热管7蒸发端7a受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在很小的压力差下流向冷凝端7b重新凝结为液体，并释放出热量，液体在多孔材料的毛细力作用下沿前壁流回蒸发端。其原理见图5。利用热管相变过程的高导热系数可迅速将热量从埋于铜块基底2内的热管蒸发端7a转移到热管的冷凝端7b，并通过置于激光器机壳外面的金属鳍片散热器1由散热风扇强迫散发到环境中。
热敏电阻5或其它温度敏感元件检测半导体致冷片3冷端面9的实际温度，与设定的温度值进行比较后给出温控讯号，由闭环温控电路实现精度达±0.01℃的晶体6的温度精确控制。
请参阅图2和图3，对各向异性的晶体6，晶体固定架4可设计成如图2所示形状，其中晶体6在垂直方向的两个侧面与晶体架导热铜块通过铟箔10导热软接触，而晶体6在水平方向的两个侧面则与空气接触，其中11表示空气隙。晶体固定架4也可设计成晶体6的四个侧面皆用铟箔10与晶体固定架4导热软接触，以加快热量的传出。
晶体热量传递路径：晶体6→晶体固定架4(辅助散热块)→半导体致冷片冷端面9→半导体致冷片热端面8→热管散热器的铜块基底2→热管蒸发端7a→曲线型热管7→热管冷凝端7b→鳍片状金属散热片1→环境。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此，本领域中的技术人员任何基于本实用新型技术方案上非实质性变更均包括在本实用新型保护范围之内。
Claims (4)
1、一种用于固体激光器的冷却温控装置，其包括用于固定光学晶体(6)的晶体固定架(4)，其特征在于，其进一步包括至少一块半导体致冷片(3)和热管散热器(7)，该半导体致冷片(3)的冷端面(9)通过晶体固定架(4)与晶体(6)导热接触，该半导体致冷片(3)的热端面(8)与热管(7)的蒸发端(7a)导热接触。
2、如权利要求1所述的冷却温控装置，其特征在于，其进一步包括铜块基底(2)，该热管(7)的蒸发端(7a)埋入铜块基底(2)内，该半导体致冷片(3)的热端面(8)通过铜块基底(2)与热管(7)的蒸发端(7a)导热接触。
3、如权利要求2所述的冷却温控装置，其特征在于，其进一步包括金属散热鳍片(1)，该热管(7)的冷凝端(7)与散热鳍片(1)连接。
4、如权利要求3所述的冷却温控装置，其特征在于，该晶体(6)通过铟箔(10)与晶体固定架(4)导热软接触。
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