[發(fā)明專利]激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置及實現(xiàn)方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910070422.5
• 申請日: 2009-09-11
• 公開（公告）號: CN101656392A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 柴路;葛文琦;閆杰;胡明列;王清月
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: H01S3/042
• 分類號: H01S3/042
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司
• 代理人: 王小靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置及實現(xiàn)方法。本發(fā)明的特點在于能夠提供激光晶體環(huán)繞側(cè)面的水流，該水流為溫控循環(huán)水；當激光器工作時，不是通過循環(huán)水降溫，而是提供適當?shù)纳郎兀詼p小晶體的橫向溫差，從而減小激光晶體的熱畸變；這樣在較高功率運轉(zhuǎn)時，能夠大大提高激光的光束質(zhì)量；再采用制冷池提供環(huán)繞冷氣對晶體進行整體散熱，以保持晶體的激光效率。

背景技術(shù)

在高功率激光器中，激光晶體內(nèi)部積累的熱效應(yīng)引起的“熱畸變”(包括“熱透鏡”和“熱應(yīng)力”效應(yīng))，導(dǎo)致激光效率的降低和光束質(zhì)量的變壞。因此，“冷卻”一直是高功率激光系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)之一。到目前為止，所有冷卻技術(shù)都是給激光晶體提供降溫為目標。在固體激光器中，給激光晶體冷卻方法都是用銦片包裹晶體，然后放置在銅制基座上，再將基座通冷卻水或直接半導(dǎo)體制冷。

現(xiàn)有冷卻方法的目的是使激光晶體的橫向邊界(側(cè)面)的溫度降低，通過提高內(nèi)外溫差增加導(dǎo)熱率，從而提高激光運轉(zhuǎn)的效率。然而，激光晶體在高功率下引起的“熱畸變”效應(yīng)的主要因素恰恰是溫度差，這是由于晶體的折射率一般都是溫度相關(guān)的，溫差導(dǎo)致晶體各部分的熱致折射率不同，溫差越大折射率差也越大，從而使激光的產(chǎn)生和放大過程被晶體中不同的熱致折射率所調(diào)制，產(chǎn)生光束質(zhì)量畸變。現(xiàn)有冷卻方法的另外一個缺陷是“非環(huán)繞”方式，即冷卻水一般都是在“單邊”通過水冷套，本質(zhì)上就引入了溫差的不對稱性，從而帶來晶體的“熱畸變”。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置及實現(xiàn)方法。本發(fā)明與只追求降溫而忽視溫差效應(yīng)的傳統(tǒng)冷卻方法不同，提出了一種基于減小激光晶體溫差效應(yīng)的冷卻方法。首先，冷卻水必須采用“環(huán)繞方式”而不是現(xiàn)有技術(shù)的“單邊”方式(圖1)；其次，冷卻水不是現(xiàn)有技術(shù)的降溫冷卻，而是通過適當“升溫”來減小晶體側(cè)向邊界與晶體通光中心的溫差；最后，采用環(huán)繞冷氣對晶體進行整體散熱。這種方法通過降低激光晶體中的橫向溫差，大大減小了晶體的“熱畸變”，從而可以明顯改善激光的光束質(zhì)量。

本發(fā)明提出的激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置(圖2)包括：

環(huán)繞式水冷套(圖3)，用于提供晶體“環(huán)繞對稱”的溫度場分布，并通過水溫可以調(diào)節(jié)控制晶體的環(huán)繞溫度；

制冷池，用于給裝有激光晶體的環(huán)繞式水冷套提供整體外部冷卻環(huán)境；

半導(dǎo)體制冷器，用于提供制冷池內(nèi)的環(huán)境降溫；

排氣風扇，用于維持制冷池中的冷氣流動，增加導(dǎo)熱率。

制冷池的頂面與半導(dǎo)體制冷器的制冷端相連接，制冷池的下端安上排氣風扇，制冷池的側(cè)面有通光窗口；激光晶體安裝在環(huán)繞式水冷套中間；環(huán)繞式水冷套內(nèi)通以溫度可調(diào)的循環(huán)水，環(huán)繞式水冷套與冷卻池隔熱密封連接；環(huán)繞式水冷套置于制冷池中間；晶體通光方向?qū)手评涑氐耐ü獯翱凇?/p>

所述的環(huán)繞式水冷套為銅質(zhì)；激光晶體安裝在環(huán)繞式水冷套中間，循環(huán)水環(huán)繞于晶體的周圍；循環(huán)水采用溫度可控的恒溫制冷機提供。

所述的半導(dǎo)體制冷器一邊為制冷端，制冷溫度-20℃-50℃可調(diào)，該端與制冷池頂面相連，為制冷池提供降溫。另一邊為散熱端，由散熱片散熱。

所述的制冷池為一金屬封閉空間，為包含激光晶體的環(huán)繞式水冷套提供整體外部冷卻；其上端接半導(dǎo)體制冷器的冷卻端，四壁可通過傳導(dǎo)冷卻；池內(nèi)上端空氣溫度低，可通過對流自然冷卻整個池空間；也可以在底部加一個排氣風扇，使冷氣快速流動，增加導(dǎo)熱率，提高制冷效果；制冷池在晶體通光方向的兩壁上設(shè)置窗口，以便激光通過。

所述的排氣風扇為為與制冷池大小相匹配的小葉扇，置于制冷池底部，使制冷池內(nèi)的冷氣快速流動，增加導(dǎo)熱率，提高制冷效果。

本發(fā)明提出的激光晶體抗熱畸變的實現(xiàn)方法包括的步驟：

1)將激光晶體安裝到環(huán)繞式水冷套中間，將包含晶體的環(huán)繞式水冷套固定于制冷池中間，并保持晶體通光面對準制冷池側(cè)面上的窗口；

2)在制冷池頂面安裝半導(dǎo)體制冷器，底面安裝排氣風扇，半導(dǎo)體制冷器的溫度控制在10℃，通過制冷池壁的傳導(dǎo)和底部排氣風扇的對流作用，維持制冷池內(nèi)的溫度在10℃左右；

3)環(huán)繞式水冷套中的循環(huán)水是由溫度可控的恒溫制冷機提供；對于激光器不同功率下的運轉(zhuǎn)，測量出激光晶體的表面溫度；根據(jù)測量的激光晶體表面溫度調(diào)整環(huán)繞式水冷套中的循環(huán)水溫度，使晶體中心與水冷套之間的溫差最小；

4)通過激光光束質(zhì)量分析儀實時監(jiān)測溫差改變前后的激光光斑變化。