WO2020006824A1

WO2020006824A1 - 一种激光放大器

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Publication number: WO2020006824A1
Application number: PCT/CN2018/101618
Authority: WO
Inventors: 刘厚林; 张子龙; 王勇; 罗凯凯; 谢磊; 王凯; 董亮; 谈明高
Original assignee: 江苏大学
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2020-01-09
Also published as: CN109066276A; CN109066276B

Abstract

一种激光放大器，包括激光放大器主体（1）、玻璃窗（6）和密封压盖（7）；激光放大器主体内设有贯通的工作介质流道（2），工作介质流道内填充流动的工作介质；工作介质流道两侧对称设有冷却腔（3），每个冷却腔与工作介质流道之间设有缺口；玻璃窗一端密封放置在缺口内，玻璃窗另一端通过密封压盖密封压紧；密封压盖安装在激光放大器主体上；对称的冷却腔之间通过通孔（8）导通；激光放大器主体上设有冷却液进口（4）和冷却液出口（5），冷却液进口与一个冷却腔连通，冷却液出口与另一个冷却腔连通。可以通过注入冷却液对玻璃窗进行冷却，大大提高换热率，提升冷却效果，冷却腔内放置玻璃窗呈环形布置，结构简单，易于加工。

Description

一种激光放大器

技术领域

本发明涉及激光放大器技术领域，特别涉及一种激光放大器。

背景技术

自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世，50多年来,激光技术发展迅猛,已与多个学科相结合并广泛应用于激光光谱学、同位素提纯、激光生物学、激光医学以及大气环境的光谱检测等领域,在军事和国防领域亦具有广泛的应用。

激光放大器是激光器和染料激光放大系统的核心部件之一。在激光放大系统中,信号激光源和泵浦光在同一方向上同时依次穿过激光放大器的一侧玻璃窗、工作介质、另一侧玻璃窗，在这个过程中，泵浦光功率很高，信号激光源功率较低，泵浦光对信号激光源起到了放大、加速、获能的作用。

由于玻璃窗静止，泵浦光对玻璃窗的加热作用，开始工作后，玻璃窗很快达到高温状态，并产生烧伤现象，损伤内部结构，减少使用寿命，降低透射率和光透射后的品质。

为了解决以上问题，行业内通常办法是增加工作介质流速，提高换热速率，但是这一方法会使工作介质湍流程度增加，流动均匀性降低，流动边界层加厚，并在流道内产生空化空泡等一系列问题，降低透射率和光透射后的品质。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光放大器，通过注入冷却液对玻璃窗进行冷却，大大提高换热率，提升冷却效果，冷却腔内放置玻璃窗呈环形布置，结构简单，易于加工。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光放大器，包括激光放大器主体、玻璃窗和密封压盖；所述激光放大器主体内设有贯通的工作介质流道，工作介质流道内填充流动的工作介质；所述工作介质流道两侧对称设有冷却腔，每个所述冷却腔与工作介质流道之间设有缺口；所述玻璃窗位于冷却腔内，所述玻璃窗一端密封放置在缺口内，所述玻璃窗另一端通过密封压盖密封压紧；所述密封压盖安装在激光放大器主体上；对称的冷却腔之间通过通孔导通；所述激光放大器主体上设有冷却液进口和冷却液出口，所述冷却液进口与一个冷却腔连通，所述冷却液出口与另一个冷却腔连通。

进一步，所述玻璃窗轴线与工作介质流道垂直，所述玻璃窗轴线与缺口轴线同轴。

进一步，所述玻璃窗与冷却液接触的面粗糙度大于R6.3。

进一步，为了保证泵浦光在玻璃窗口上的产生的热量分布较为均匀，避免局部超高温，所述玻璃窗满足下列条件：

1.5d ₀≤d ₇≥2.5d ₀

3d ₀≤L ₁≥4d ₀

d ₃≥1.2d ₇

其中：d ₀—泵浦光源直径，mm；

d ₇—所述玻璃窗放置在缺口内的直径或缺口直径，mm；

L ₁—所述玻璃窗长度，mm；

d ₃—所述玻璃窗外圆直径，mm。

进一步，所述工作介质流道包括进口流道、出口流道和直管流道；所述进口流道通过渐缩流道与直管流道连通，所述出口流道通过渐缩流道与直管流道连通；为了保证工作介质在通过玻璃窗口时能有效带走泵浦光在玻璃窗口上的产生的热量，起到冷却效果，同时降低工作介质通过激光放大器时产生的压降损失，进口流道、出口流道和直管流道满足下面下列条件：

A≥4.5d ₀ ²

L ₅≥4d ₀

L ₇＝L ₈≥4d ₀

d ₈＝d ₉≤4d ₀

其中：d ₀—泵浦光源直径，mm；

A—所述直管流道横截面积，mm ²；

L ₅—所述渐缩流道长度，mm；

L ₇—所述进口流道长度，mm；

L ₈—所述出口流道长度，mm；

d ₈—所述进口流道直径，mm；

d ₉—所述出口流道直径，mm。

进一步，为了保证冷却液在通过冷却液进口、冷却腔、通孔、玻璃窗、冷却液出口的过程中具有较好的冷却效果，并且降低冷却液流动过程中的流动损失，所述冷却腔、通孔和玻璃窗满足下面下列条件：

d ₄≥1.8d ₃

d ₁＝d ₅≥0.8(d ₄-d ₃)

d ₂≥0.4(d ₄-d ₃)

其中：d ₃—所述玻璃窗外圆直径，mm；

d ₁—所述冷却液进口的直径，mm；

d ₂—所述通孔的直径，mm；

d ₄—所述冷却腔的直径，mm；

d ₅—所述冷却液出口的直径，mm。

进一步，所述工作介质流道内工作介质的流量为Q ₁，为满足工作介质流道内工作介质既可以保证泵浦光对信号激光源具有较高效的激活作用，又可以保证其对玻璃窗内壁的冷却效果，Q ₁满足以下关系：

Q ₁≥A×3.6×10 ^-3

其中：

ρ ₁—所述工作介质的密度，kg/m ³；

P ₁—所述工作介质饱和蒸汽压力，Pa；

d ₀—泵浦光源直径，mm；

A—所述直管流道的横截面积，mm ²；

L ₅—所述渐缩流道长度，mm；

L ₈—所述出口流道长度，mm；

Q ₁—所述工作介质的流量，m ³/h。

进一步，所述冷却液进口的冷却液流量为Q ₂，为满足冷却液对玻璃窗的冷却效果，Q ₂满足以下关系：

其中：

K ₁—所述玻璃窗材料对泵浦光的吸收率；

K ₂—所述冷却液进入时的温度，K；

P ₂—泵浦光源入射的功率，W；

C ₁—所述冷却液的比热容，J/kg·k；

λ ₁—所述玻璃窗材料的导热系数，W/m·k；

d ₁—所述冷却液进口的直径，mm。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的激光放大器，激光放大器主体内设置冷却流道，通过注入冷却液对玻璃窗进行冷却，大大提高换热率，提升冷却效果。

2.本发明所述的激光放大器，玻璃窗和冷却液接触的面采取磨砂处理，增加玻璃窗与冷却液接触面积，提高换热率，提升冷却效果，并确定了相关尺寸应满足的关系。

3.本发明所述的激光放大器，对称的两个冷却腔通过通孔相连，冷却液进口和冷却液出口和冷却腔内放置玻璃窗呈环形布置，结构简单，易于加工，并确定了相关尺寸应满足的关系。

4.本发明所述的激光放大器，所述进口流道通过渐缩流道与直管流道连通，所述出口流道通过渐缩流道与直管流道连通，有效减小激光放大器整体尺寸，大大提高激光放大器工作介质流道内的局部流速，并确定了相关尺寸应满足的关系。

5.本发明所述的激光放大器，为了保证泵浦光对信号激光源具有较高效的激活作用，并满足玻璃窗内壁的冷却效果，确定了工作介质的流量Q ₁应满足的范围。

6.本发明所述的激光放大器，为了保证冷却液对玻璃窗的冷却效果，确定了冷却液的流量Q ₂应满足的范围。

附图说明

图1为本发明所述的激光放大器主视半剖图。

图2为图1的剖视图。

图3为本发明所述的激光放大器左视图。

图4为图3的剖视图。

图中：

1-激光放大器主体；2-工作介质流道；3-冷却腔；4-冷却液进口；5-冷却液出口；6-玻璃窗；7-密封压盖；8-通孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1-图4所示，本发明所述的激光放大器，包括激光放大器主体1、玻璃窗6和密封压盖7；所述激光放大器主体1内设有贯通的工作介质流道2，工作介质流道2内填充流动的工作介质；所述工作介质流道2两侧对称设有冷却腔3，每个所述冷却腔3与工作介质流道2之间通过缺口连通；每个冷却腔3内放置玻璃窗6，所述玻璃窗6一端密封放置在缺口内从而阻断冷却腔3与工作介质流道2的连通；所述玻璃窗6另一端通过密封压盖7密封压紧；所述玻璃窗6轴线可与工作介质流道2垂直，所述玻璃窗6轴线与缺口轴线同轴。由于冷却腔3内放置了玻璃窗6，冷却腔3呈环形；所述密封压盖7安装在激光放大器主体1上；对称的冷却腔3之间通过通孔8导通；所述激光放大器主体1上设有冷却液进口4和冷却液出口5，所述冷却液进口4与一个冷却腔3连通，所述冷却液出口5与另一个冷却腔3连通，冷却液进口4内通入冷却介质。密封压盖7中心处设有透光孔。如图2所示，工作原理为：从左侧的密封压盖7透光孔按照v ₁方向同心发射出较高功率的泵浦光和较低功率的高质量信号激光源，法向射入流动的工作介质中，在工作介质的媒介下，信号激光源被泵浦光激发获能并从v ₂方向射出具有极高能量的成品激光。

为了保证泵浦光在玻璃窗口上的产生的热量分布较为均匀，避免局部超高温，所述玻璃窗6与冷却液接触的面粗糙度大于R6.3，所述玻璃窗6满足下列条件：

1.5d ₀≤d ₇≥2.5d ₀

3d ₀≤L ₁≥4d ₀

d ₃≥1.2d ₇

其中：d ₀—泵浦光源直径，mm；

d ₇—所述玻璃窗6放置在缺口内的直径或缺口直径，mm；

L ₁—所述玻璃窗6长度，mm；

d ₃—所述玻璃窗6外圆直径，mm。

所述工作介质流道2包括进口流道、出口流道和直管流道；所述进口流道通过渐缩流道与直管流道连通，所述出口流道通过渐缩流道与直管流道连通；为了保证工作介质在通过玻璃窗6时能有效带走泵浦光在玻璃窗口上的产生的热量，起到冷却效果，同时降低工作介质通过激光放大器时产生的压降损失，进口流道、出口流道和直管流道满足下面下列条件：

A≥4.5d ₀ ²

L ₅≥4d ₀

L ₇＝L ₈≥4d ₀

d ₈＝d ₉≤4d ₀

其中：d ₀—泵浦光源直径，mm；

A—所述直管流道横截面积，mm ²；

L ₅—所述渐缩流道长度，mm；

L ₇—所述进口流道长度，mm；

L ₈—所述出口流道长度，mm；

d ₈—所述进口流道直径，mm；

d ₉—所述出口流道直径，mm。

为了保证冷却液在通过冷却液进口4、冷却腔3、通孔8、玻璃窗6、冷却液出口5的过程中具有较好的冷却效果，并且降低冷却液流动过程中的流动损失，所述冷却腔3、通孔8和玻璃窗6满足下面下列条件：

d ₄≥1.8d ₃

d ₁＝d ₅≥0.8(d ₄-d ₃)

d ₂≥0.4(d ₄-d ₃)

其中：d ₃—所述玻璃窗6外圆直径，mm；

d ₁—所述冷却液进口4的直径，mm；

d ₂—所述通孔8的直径，mm；

d ₄—所述冷却腔3的直径，mm；

d ₅—所述冷却液出口5的直径，mm。

所述工作介质流道2内工作介质的流量为Q ₁，为满足工作介质流道2内工作介质既可以保证泵浦光对信号激光源具有较高效的激活作用，又可以保证其对玻璃窗6内壁的冷却效果，Q ₁满足以下关系：

Q ₁≥A×3.6×10 ^-3

其中：

ρ ₁—所述工作介质的密度，kg/m ³；

P ₁—所述工作介质饱和蒸汽压力，Pa；

d ₀—泵浦光源直径，mm；

A—所述直管流道的横截面积，mm ²；

L ₅—所述渐缩流道长度，mm；

L ₈—所述出口流道长度，mm；

Q ₁—所述工作介质的流量，m ³/h。

所述冷却液进口4的冷却液流量为Q ₂，为满足冷却液对玻璃窗6的冷却效果，Q ₂满足以下关系：

其中：

K ₁—所述玻璃窗6材料对泵浦光的吸收率；

K ₂—所述冷却液进入时的温度，K；

P ₂—泵浦光源入射的功率，W；

C ₁—所述冷却液的比热容，J/kg·k；

λ ₁—所述玻璃窗6材料的导热系数，W/m·k；

d ₁—所述冷却液进口4的直径，mm。

以某个信号激光源和工作介质等工作要求为例，其相关数据如下：泵浦光源直径d ₀＝2mm；工作介质的密度ρ ₁＝850kg/m ³；工作介质饱和蒸汽压力P ₁＝4000Pa；玻璃窗6材料对泵浦光的吸收率K ₁＝0.8；冷却液进入时的温度K ₂＝297K；泵浦光源入射的功率P ₂＝500W；冷却液的比热容C ₁＝4200J/kg·k；玻璃窗6材料的导热系数λ ₁＝0.75W/m·k；

玻璃窗6的相关尺寸确定如下：

d ₇＝4mm

L ₁＝8mm

d ₃＝4.8mm

工作介质流道2相关尺寸确定如下：

A＝18mm

L ₅＝10mm

L ₇＝L ₈＝12mm

d ₈＝d ₉＝8mm

激光放大器主体1的冷却液进口4、冷却腔3、通孔8、玻璃窗6、冷却液出口5的相关尺寸确定如下：

d ₄＝10mm

d ₁＝d ₅＝5mm

d ₂＝2.5mm

工作介质流量Q ₁的范围如下：

0.0648≤Q ₁≤0.1727

冷却液的流量Q ₂的范围如下：

Q ₂≥0.7399m ³/h

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

一种激光放大器，其特征在于，包括激光放大器主体(1)、玻璃窗(6)和密封压盖(7)；所述激光放大器主体(1)内设有贯通的工作介质流道(2)，工作介质流道(2)内填充流动的工作介质；所述工作介质流道(2)两侧对称设有冷却腔(3)，每个所述冷却腔(3)与工作介质流道(2)之间设有缺口；每个所述冷却腔(3)内放置玻璃窗(6)，所述玻璃窗(6)一端密封放置在缺口内，所述玻璃窗(6)另一端通过密封压盖(7)密封压紧；所述密封压盖(7)安装在激光放大器主体(1)上；对称的冷却腔(3)之间通过通孔(8)导通；所述激光放大器主体(1)上设有冷却液进口(4)和冷却液出口(5)，所述冷却液进口(4)与一个冷却腔(3)连通，所述冷却液出口(5)与另一个冷却腔(3)连通。
根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述玻璃窗(6)轴线与工作介质流道(2)垂直，所述玻璃窗(6)轴线与缺口轴线同轴。
根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述玻璃窗(6)与冷却液接触的面粗糙度大于R6.3。
根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述玻璃窗(6)满足下列条件：

1.5d ₀≤d ₇≥2.5d ₀

3d ₀≤L ₁≥4d ₀

d ₃≥1.2d ₇

其中：d ₀—泵浦光源直径，mm；

d ₇—所述玻璃窗(6)放置在缺口内的直径或缺口直径，mm；

L ₁—所述玻璃窗(6)长度，mm；

d ₃—所述玻璃窗(6)外圆直径，mm。
根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述工作介质流道(2)包括进口流道、出口流道和直管流道；所述进口流道通过渐缩流道与直管流道连通，所述出口流道通过渐缩流道与直管流道连通；进口流道、出口流道和直管流道满足下面下列条件：

A≥4.5d ₀ ²

L ₅≥4d ₀

L ₇＝L ₈≥4d ₀

d ₈＝d ₉≤4d ₀

其中：d ₀—泵浦光源直径，mm；

A—所述直管流道横截面积，mm ²；

L ₅—所述渐缩流道长度，mm；

L ₇—所述进口流道长度，mm；

L ₈—所述出口流道长度，mm；

d ₈—所述进口流道直径，mm；

d ₉—所述出口流道直径，mm。
根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述冷却腔(3)、通孔(8)和玻璃窗(6)满足下面下列条件：

d ₄≥1.8d ₃

d ₁＝d ₅≥0.8(d ₄-d ₃)

d ₂≥0.4(d ₄-d ₃)

其中：d ₃—所述玻璃窗(6)外圆直径，mm；

d ₁—所述冷却液进口(4)的直径，mm；

d ₂—所述通孔(8)的直径，mm；

d ₄—所述冷却腔(3)的直径，mm；

d ₅—所述冷却液出口(5)的直径，mm。
根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述工作介质流道(2)内工作介质的流量为Q ₁，Q ₁满足以下关系：

Q ₁≥A×3.6×10 ^-3

其中：

ρ ₁—所述工作介质的密度，kg/m ³；

P ₁—所述工作介质饱和蒸汽压力，Pa；

d ₀—泵浦光源直径，mm；

A—所述直管流道的横截面积，mm ²；

L ₅—所述渐缩流道长度，mm；

L ₈—所述出口流道长度，mm；

Q ₁—所述工作介质的流量，m ³/h。
根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述冷却液进口(4)的冷却液流量为Q ₂，Q ₂满足以下关系：

其中：

K ₁—所述玻璃窗(6)材料对泵浦光的吸收率；

K ₂—所述冷却液进入时的温度，K；

P ₂—泵浦光源入射的功率，W；

C ₁—所述冷却液的比热容，J/kg·k；

λ ₁—所述玻璃窗(6)材料的导热系数，W/m·k；

d ₁—所述冷却液进口(4)的直径，mm。