CN2938486Y - 一种大功率激光金属泵浦腔的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大功率激光金属泵浦腔的水冷装置，属于激光技术及其应用领域。本装置按照工作物质、反射面、泵浦灯吸收热量的多少，确定冷却水先集中冷却工作物质，从工作物质流出的冷却水分为两路，使两路冷却水同步地冷却上下反射面，从上下反射面流出的冷却水再分别冷却两泵浦灯，最后流出该冷却系统。根据该方法设计出一种大功率激光金属泵浦腔的水冷装置，本装置主要包括有两个可相互配合连接的泵浦腔下体(116)、泵浦腔上体(115)，冷却水从设置于泵浦腔上体(116)和泵浦腔下体(115)的冷却装置内流动，从而对泵浦腔进行冷却。本实用新型主次分明地冷却工作物质、反射面、泵浦源，保障了大功率工业激光器的稳定工作。

Description

一种大功率激光金属泵浦腔的冷却装置

技术领域

本实用新型涉及一种大功率激光金属泵浦腔的冷却装置，实现对大功率激光器泵浦腔的强制冷却，属于激光技术及其应用领域。

背景技术

泵浦腔是灯泵浦大功率固体激光器的心脏，包含有：泵浦源，工作物质，耦合表面。由于灯泵浦激光器效率极低(总电光效率3％-7％)，其大部分注入泵浦腔的能量都转换为泵浦源、工作物质、耦合表面的内能，所以要保证上万瓦电功率激光器的长期稳定性，必须对泵浦腔内冷却系统进行有效设计。

目前灯泵浦大功率固体激光器的冷却系统有两种方式：1、全腔冷却的陶瓷泵浦腔激光器。由于该腔形需使灯两电极浸没在冷却水中，灯在预燃时触发电压高达1万多伏，则要求冷却水阻抗相当高，而且其腔内漫反射表面与水发生化学反应，降低反射效率，导致输出功率降低，此动作为不可恢复性。2、分部冷却的金属泵浦腔激光器。该腔型采用对工作物质，泵浦灯及反射面分别冷却，泵浦灯电极露在冷却回路之外，冷却水经过金属反射面背面，通过热传导对表面进行冷却，其制冷量大，稳定性能相当可靠，而其缺点是泵浦腔内相同器件(泵浦灯，反射面)在相同工作状态下由于冷却不均匀难保持一致，器件的冷却不均匀导致激光器热效应加强，不仅降低输出功率、光束质量，还大大缩短激光器寿命。机械加工难度高，机械装配复杂，现今灯泵浦大功率固体激光器多采用单工作物质、双泵浦灯结构，其注入电功率高达万瓦。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种大功率激光金属泵浦腔的冷却装置，本实用新型实现了对大功率激光器泵浦腔的强制冷却，保障大功率工业激光器的稳定工作。

本实用新型采用了如下技术方案。本装置按照工作物质、反射面、泵浦灯吸收热量的多少，确定冷却水先集中冷却工作物质，从工作物质流出的冷却水分为对称两路，使两路冷却水同步地冷却上下反射面，从上下冷却槽流出的冷却水再分别冷却两泵浦灯，最后流出该冷却系统。

按照上面所述的一种大功率激光金属泵浦腔的冷却方法，设计了一种大功率激光金属泵浦腔的冷却装置，该装置是针对双灯泵浦单工作物质。本装置主要包括有两个结构相似并可相互配合连接的泵浦腔下体116、泵浦腔上体115，泵浦腔下体116主要包括有前堵头101、后堵头102和设置于前堵头和后堵头之间的下冷却槽103，下冷却槽103的上面为泵浦腔的下反射面，泵浦腔上体115主要包括有前右水腔106、后右水腔108、前左水腔107、后左水腔109，后右水腔108和后左水腔109之间设置有连接头110，在四个水腔之间设置有上冷却槽111，在上冷却槽111的下面设置有上反射面。泵浦腔下体116上的前堵头101上主要设置有前堵头入水口1、前堵头出水口3，冷却水从前堵头入水口1流入，其中，前堵头出水口3通过套在工作物质外面的玻璃管104与后堵头入水口7连通，后堵头入水口7与后堵头上支路出水口10和后堵头下支路出水口9连通，后堵头下支路出水口9与下冷却槽入水口25连通，下冷却水槽出水口27与前堵头101的下支路入水口4相通，下冷却槽定位孔25和前堵头定位孔5通过图21的连接管连接固定，前堵头101的下支路出水口6与前左水腔入口28连通，前左水腔出水口31通过套在左泵浦灯外面的玻璃管113与后左水腔入口32连通，前左水腔定位孔30和上水冷槽定位孔16通过图24连接管连接定位，后左水腔出水口34与后堵头下支路回水口11连通，后堵头下支路回水口(11)贯通于后堵头(102)并连通于泵浦腔体外；后堵头上支路出水口10与泵浦腔上体115上面的连接头入水口13连通，连接头出水口14与上冷却槽入水口15连通，上冷却槽出水口17与前右水腔入水口18连通，前右水腔出水口21通过套在右泵浦灯外面的玻璃管112与后右水腔入水口22连通，后右水腔出水口24与后堵头上支路回水口12连通，后堵头下支路回水口(12)贯通于下堵头(102)并连通于泵浦腔体外。后堵头入水口(7)、后堵头下支路回水口(11)和后堵头上支路回水口(12)之间互不不连通，前堵头入水口(1)与前堵头下支路入水口(4)不连通。

由于泵浦灯的电光效率为50％～80％，而工作物质的吸收效率为5％～10％，工作物质吸收的热量为泵浦灯的好几倍，所以本实用新型中让冷却水首先集中冷却工作物质。冷却量由工作物质与滤紫外玻璃导管间的冷却水横截面积(圆环空间半径为1～2mm)和激光器专用水冷器决定。泵浦腔流水截面积的大小决定了泵浦腔入水口的水流截面积，通常后者稍大于前者即可。

本实用新型的工作过程：冷却水由泵浦腔入水口即前堵头入水口1导入，从前堵头出口3通过套在工作物质外面的玻璃管104流入后堵头入水口7，然后分为两路：一路冷却水经过后堵头下支路出水口9流到下冷却槽入水口25，然后从下冷却槽出水口27流入前堵头101的下支路入水口4，再从前堵头101的下支路出水口6流到前左水腔入水口28，从前左水腔出水口31通过套在左泵浦灯外面的玻璃管113流入后左水腔入水口32，再从后左水腔出水口34流入后堵头下支路回水口11，并从后堵头下支路回水口11流出泵浦腔外；另一路冷却水从后堵头上支路出水口10流入泵浦腔上体115上面的连接头入水口13，然后从连接头出水口14流入上冷却槽入水口15，再从上冷却槽出水口17流入前右水腔入水口18，再从前右水腔出水口21通过套在右泵浦灯外面的玻璃管112流到后右水腔入水口22，最后从后右水腔出水口24流入后堵头上支路回水口12，并从上支路回水口12流出泵浦腔体。

本实用新型有以下两个特点：1)机械加工难度低，易于密封，密封强度高稳定性好；2)主次分明地冷却工作物质、耦合表面、泵浦源；3)对工作物质，泵浦源，耦合表面采用分部对称冷却，实现对大功率泵浦腔的强制冷却，提高激光器的稳定性能。

附图说明

图1冷却装置总结构    图2上部腔体散装图

图3下部腔体散装图    图4前堵头剖视图

图5前堵头俯视图       图6前堵头右视图

图7后堵头剖视图       图8后堵头俯视图

图9后堵头左视图       图10连接头剖视图

图11连接头左视图      图12上冷却槽仰视图

图13前右水腔剖视图    图14前右水腔右视图

图15后右水腔剖视图    图16后右水腔左视图

图17下冷却槽俯视图    图18前左水腔剖视图

图19前左水腔右视图    图20后左水腔剖视图

图21后左水腔左视图    图22接管1剖视图

图23连接管1左视图     图24连接管2剖视图

图25连接管2左视图

图中：101、前堵头，102、后堵头，103、下冷却槽，104、套工作物质的玻璃管，105、下底板，106、前右水腔，107、前左水腔，108、后右水腔，109、后左水腔，110、连接头，111、上冷却槽，112、套泵浦灯的玻璃管2113、套泵浦灯的玻璃管3，114、上盖板，115、泵浦腔上体，116、泵浦腔下体；

1、前堵头入水口，      2：前堵头密封口         3：前堵头出水口

4：前堵头下支路入水口  5：前堵头定位孔         6：前堵头下支路出水口

7：后堵头入水口        8：后堵头密封口         9：后堵头下支路出口

10：后堵头上支路出水口 11：后堵头下支路回水口  12：后堵头上支路回水口

13：连接头入水口       14：连接头出水口        15：上冷却槽入水口

16：上冷却槽定位孔     17：上冷却槽出水口      18：前右水腔入水口

19：前右水腔工艺孔     20：前右水腔密封口      21：前右水腔出水口

22：后右水腔入水口     23：后右水腔密封口      24：后右水腔出水口

25：下冷却槽入水口     26：下冷却槽定位孔      27：下冷却槽出水口

28：前左水腔入水口     29：前左水腔密封口      30：前左水腔定位孔

31：前左水腔出水口    32：后左水腔入水口    33：后左水腔密封口

34：后左水腔出水口

具体实施方式

下面结合附图1～图25说明本实施例。

本实用新型采用了如下技术方案。本装置按照工作物质、反射面、泵浦灯吸收热量的多少，确定冷却水先集中冷却工作物质，从工作物质流出的冷却水分为两路，使两路冷却水同步地冷却上下反射面，从上下反射面流出的冷却水再分别冷却两泵浦灯，最后流出该冷却系统。

根据大功率固体激光器冷却方法，设计出一套冷却腔内器件转接块，连接块图形，其结构总图如图1。该装置是针对双灯泵浦单工作物质，本装置主要包括有两个结构相似并可相互配合连接的泵浦腔下体116、泵浦腔上体115，泵浦腔下体116主要包括有前堵头101、后堵头102和设置于前堵头和后堵头之间的下冷却槽103，下冷却槽103的上面为泵浦腔的下反射面，泵浦腔下体116的每个单元块都固定在底板105上。泵浦腔上体115主要包括有前右水腔106、后右水腔108、前左水腔107、后左水腔109，后右水腔108和后左水腔109之间设置有连接头110，在四个水腔之间设置有上冷却槽111，上冷却槽111的下面为上反射面，泵浦腔上体116的每个单元块都固定在上盖板114上。泵浦腔下体116上的前堵头101上主要设置有前堵头入水口1、前堵头出水口3，冷却水从前堵头入水口1流入，其中，前堵头出水口3通过套在工作物质外面的玻璃管104与后堵头入水口7连通，后堵头入水口7与后堵头上支路出水口10和后堵头下支路出水口9连通，后堵头下支路出水口9通过连接管1与下冷却槽入水口25连通，下冷却水槽出水口27通过连接管1与前堵头101的下支路入水口4相通，下冷却槽定位孔26通过连接管1与前堵头定位孔5相连，前堵头下支路出水口6与前左水腔入水口28连通，前左水腔出水口31通过套在左泵浦灯外面的玻璃管113与后左水腔入水口32连通，后左水腔出水口34与后堵头下支路回水口11连通；后堵头上支路出水口10与泵浦腔上体115上面的连接头入水口13连通，连接头出水口14与上冷却槽入水口15连通，上冷却槽出水口17与前右水腔入水口18连通，前右水腔出水口21通过套在右泵浦灯外面的玻璃管112与后右水腔入水口22连通，后右水腔出水口24与后堵头上支路回水口12连通。

本实施中前堵头和后堵头的截面形状均为“T”型，四个水腔的形状为长方体。上冷却槽(111)和下冷却槽(103)的行状均为封闭的长方体，中间设有冷却水流动通道。

本实施例还设计出冷却水路中单元与单元之间过渡的连接管，在连接管与单元配合的两头掏一凹槽，其内套密封O圈，此时O圈外径应略大于连接体要嵌入的凹槽直径0.4～0.6mm，嵌入即可对水路密封。

其中上冷却槽定位孔16、下冷却槽定位孔26，前左水腔定位孔30的作用是用连接管连接定位，对密封要求不高，只起定位作用。水路中前堵头密封口2、后堵头密封口8用O圈密封及压片固定工作物质两端；前右水腔密封口20和后右水腔密封口23、前左水腔密封口29和后左水腔密封口33均用O圈密封及压片固定泵浦灯两端的灯头。图12中前右水腔的工艺孔19，最后必须密封。

本实用新型中泵浦腔冷却回路的制作：根据制作激光器所用的工作物质、泵浦灯的尺寸及该激光器所需要的制冷量的大小，确定前堵头入水口1的大小，其它连接头、连接管及导水单元中水路横截面的设计只要能保证冷却工作物质及泵浦灯的流量就行。然后用不锈钢材料按照图4～25的模型加工，要求内外表面光滑，同心度、平行度高，再将加工好的各单元及需冷却反射面用O圈，玻璃管装配好，最后再将工作物质及泵浦灯放入其对应位置，用O圈及压片密封，至此，实现了泵浦腔整个冷却回路，保障了大功率工业激光器的稳定工作。

泵浦灯的寿命很短，需经常更换，要求其重复定位精度高，故设计快拔式结构。该方法需将泵浦灯、冷却反射面的冷却槽、泵浦灯的导管、泵浦灯夹持装置均固定在一稳定性好的上盖上，更换泵浦灯时，手持上盖一拔，即可取出以上器件，方便地更换泵浦灯。

Claims (1)

1、一种大功率激光金属泵浦腔的冷却装置，该装置是针对双灯泵浦单工作物质，其特征在于：本装置主要包括有两个结构相似并可相互配合连接的泵浦腔下体(116)、泵浦腔上体(115)，泵浦腔下体(116)主要包括有前堵头(101)、后堵头(102)和设置于前堵头和后堵头之间的下冷却槽(103)，下冷却槽(103)的上面为泵浦腔的下反射面，泵浦腔上体(115)主要包括有前右水腔(106)、后右水腔(108)、前左水腔(107)、后左水腔(109)，后右水腔(108)和后左水腔(109)之间设置有连接头(110)，在四个水腔之间设置有上冷却槽(111)，在上冷却槽(111)的下面设置有上反射面；其中，冷却水从前堵头入水口(1)流入，前堵头入水口(1)位于前堵头的底部并与前堵头出水口(3)连通，前堵头出水口(3)通过套在工作物质外面的玻璃管(104)与后堵头入水口(7)连通，后堵头入水口(7)与后堵头下支路出水口(9)和后堵头上支路出水口(10)连通，后堵头下支路出水口(9)与下冷却槽入水口(25)连通，下冷却水槽出水口(27)与前堵头(101)的下支路入水口(4)相通，前堵头(101)的下支路出水口(6)与前左水腔入水口(28)连通，前左水腔出水口(31)通过套在左泵浦灯外面的玻璃管(113)与后左水腔入水口(32)连通，后左水腔出水口(34)与后堵头下支路回水口(11)连通；后堵头下支路回水口(11)贯通于后堵头(102)并连通于泵浦腔体外；后堵头上支路出水口(10)与泵浦腔上体(115)上面的连接头入水口(13)连通，连接头出水口(14)与上冷却槽入水口(15)连通，上冷却槽出水口(17)与前右水腔入水口(18)连通，前右水腔出水口(21)通过套在右泵浦灯外面的玻璃管(112)与后右水腔入水口(22)连通，后右水腔出水口(24)与后堵头上支路回水口(12)连通，后堵头下支路回水口(12)贯通于下堵头(102)并连通于泵浦腔体外；后堵头入水口(7)、后堵头下支路回水口(11)和后堵头上支路回水口(12)之间互不不连通，前堵头入水口(1)与前堵头下支路入水口(4)不连通。

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