專利名稱：激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置及實(shí)現(xiàn)方法
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(shí)現(xiàn)方法。本 發(fā)明的特點(diǎn)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(dāng)激光器工作 時(shí)，不是通過循環(huán)水降溫，而是提供適當(dāng)?shù)纳郎?，以減小晶體的橫向溫差，從而減小激光 晶體的熱畸變；這樣在較高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(duì)晶體進(jìn)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(biāo)。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(yùn)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?，F(xiàn)有冷卻方法的另外一個(gè)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(duì)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(shí)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(dāng)"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(duì)晶體進(jìn)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(duì)稱"的溫度場(chǎng)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；
4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(fēng)扇，用于維持制冷池中的冷氣流動(dòng)，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(fēng)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)?zhǔn)制冷池的通光窗口。
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(jī)提供。
所述的半導(dǎo)體制冷器一邊為制冷端，制冷溫度-20°050°(3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(duì)流自然冷卻整個(gè)池空間；也可以在底部加一個(gè)排氣風(fēng)扇，使冷氣快速流動(dòng)，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(fēng)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(dòng)，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(shí)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(duì)準(zhǔn)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(fēng)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(fēng)扇的對(duì)流作用，維持制冷池內(nèi)的溫度在10。C 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(jī)提供；對(duì)于激光器不同功率 下的運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量出激光晶體的表面溫度；根據(jù)測(cè)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??；
4) 通過激光光束質(zhì)量分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫差改變前后的激光光斑變化。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)水冷套不是傳統(tǒng)的"單邊"冷卻方式，而是"環(huán)繞"方式，
為激光晶體提供了均勻的溫度環(huán)境，從而消除了原有冷卻技術(shù)的本質(zhì)缺陷"溫差的非均勻 性"；2)對(duì)晶體的冷卻不是采用傳統(tǒng)的"降溫"方式，而是隨著晶體表面溫度的增加，而 逐漸升溫，即采用減小晶體橫向溫差的方法。這樣就從根本上減小(消除)了晶體的熱畸 變；3)采用制冷池對(duì)含晶體的環(huán)繞式水冷套進(jìn)行整體散熱方式，即相當(dāng)于端面氣流冷卻。 這樣既能降溫，又不引入橫向熱畸變；4)本冷卻裝置及實(shí)現(xiàn)方法可以大大改善高功率固 體激光器的光束質(zhì)量。


圖1為已有技術(shù)的"單邊通水"的水冷套裝置的示意圖。
圖2為本發(fā)明的抗熱畸變冷卻法裝置結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3為本發(fā)明的"環(huán)繞式通水"水冷套(圖2中3)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，它們不是限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如圖2所示，l為半導(dǎo)體制冷器；2為制冷池；3為環(huán)繞式水冷套；4為排氣風(fēng)扇；5
為3與2的隔熱密封連接。
圖3為圖2中的環(huán)繞式水冷套結(jié)構(gòu)圖。圖3中3 — 1為銅質(zhì)基座；3—2為溫控冷卻 水的輸入和輸出導(dǎo)管；3 — 3環(huán)繞晶體水流槽；3—4為密封墊圈；3 — 5為基座封接鉚釘；3 一6為基座連接螺孔和螺釘。
本發(fā)明的激光晶體抗熱畸變冷卻法是采用具有均勻?qū)ΨQ的溫度場(chǎng)分布，利用減小激光 晶體橫向溫差的整體環(huán)繞冷卻方式，可以消除已有技術(shù)(圖1)本質(zhì)上存在的熱畸變效應(yīng)，
大大提高激光光束質(zhì)量。該方法中的各部件的連接關(guān)系見圖2，其中半導(dǎo)體制冷器l的 制冷端與制冷池2的頂面相連；環(huán)繞式水冷套3通過溫控冷卻水的輸入和輸出導(dǎo)管與制冷 池2隔熱密封連接，位置固定于制冷池中央，且晶體通光方向?qū)?zhǔn)制冷池通光窗口；在制 冷池下端安上排風(fēng)扇4。
制冷池2和環(huán)繞式水冷套3采用銅質(zhì)；環(huán)繞式水冷套3中放晶體的孔的大小和形狀要
與晶體尺寸匹配。
本發(fā)明提出的激光晶體抗熱畸變冷卻法包括的步驟
將激光晶體安裝到環(huán)繞式水冷套3中間，將包含晶體的環(huán)繞式水冷套3固定于制冷池 2中間，并保持晶體通光面對(duì)準(zhǔn)制冷池2側(cè)面上的窗口；在制冷池2頂面安裝半導(dǎo)體制冷 器1，底面安裝排氣風(fēng)扇；半導(dǎo)體制冷器1的溫度控制在10 °C，通過制冷池2壁的傳導(dǎo) 和底部排氣風(fēng)扇的對(duì)流作用，維持制冷池2內(nèi)的溫度在10°C左右；環(huán)繞式水冷套3中的 循環(huán)水是由溫度可控的恒溫制冷機(jī)提供；對(duì)于激光器不同功率下的運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量出激光晶體 的表面溫度；根據(jù)測(cè)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??；通過激光光束質(zhì)量分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫差改變前后的激光光 斑變化。
應(yīng)用實(shí)施例對(duì)于直徑5mm，長(zhǎng)度8mm的激光晶體，環(huán)繞式水冷套3 (圖3)的具體 實(shí)施為選擇厚度為4mm、邊長(zhǎng)為30mm的正方形銅板兩塊；首先在兩板中心銑出放置晶 體的孔，并注意在垂直水口方向上預(yù)留切割量，使組裝后的孔直徑為5.3mm;然后在距中 心為6.15mm的圓圈上，分別在兩板上圍繞中心孔鏡像位置開槽，槽寬和槽^fP^3mm， 即兩板對(duì)合后形成3X6mm 口徑的循環(huán)水槽，僅在出入水口之間部分留lmm不加工(作 為隔水板)；兩個(gè)水口分布在上述隔水板兩側(cè)，中心間距7mm的位置上，分別鏡像地銑出 橫截面為半徑3mm的半圓形直槽，并通到邊界，即兩板對(duì)合后形成直徑3mm出入水口；將兩片基板相對(duì)用硅橡膠或環(huán)氧樹脂密封后，用鉚釘或螺栓連接成一體；銑平四周后，沿 垂直于出入水口方向的中心線進(jìn)行線切割，并銑平端面后，在兩片基板上分別制出螺口和 螺絲沉孔，即這兩片基板采用螺栓連接；在兩個(gè)循環(huán)水槽斷口處嵌入密封圈；在出入水口 采用螺口連接或嵌入配合連接外徑5mm (內(nèi)徑3mm)的金屬管，長(zhǎng)度25-30mm;將晶體 包裹銦片后放置在兩片基板之間的中心孔內(nèi)，用上述螺栓壓緊，即為整個(gè)環(huán)繞式水冷套3 的具體實(shí)施方法。
制冷池的具體實(shí)施例為采用金屬鋁或銅制成內(nèi)腔尺寸為38mm見方的盒子，壁厚
3mm;上部開孔，并與半導(dǎo)體制冷器的制冷端連接；下部也開孔，并與排風(fēng)扇連接；在冷 卻池一對(duì)側(cè)面的中心位置上嵌入石英窗口 (圖2中在紙面方向，未畫出)；將上述環(huán)繞式
水冷套3的出入水管穿過制冷池的另一對(duì)側(cè)面的任意一個(gè)側(cè)面，要注意調(diào)節(jié)使晶體通光中
心對(duì)準(zhǔn)冷卻池窗口，且晶體端面平行于窗口，然后隔熱密封連接。
本發(fā)明提出的固體激光晶體冷卻方法突出特點(diǎn)在于不同于原有的"單邊通水"的水
冷套結(jié)構(gòu)，提出了"環(huán)繞通水"的水冷套結(jié)構(gòu)，從而克服了原有技術(shù)的溫度場(chǎng)非對(duì)稱分布
的本質(zhì)性問題；不同于原有技術(shù)"單調(diào)降溫"的晶體冷卻方式，首次提出在環(huán)繞晶體側(cè)面 邊界提供適當(dāng)"升溫"，而不是"降溫"，以減小晶體橫截面上的溫差效應(yīng)的冷卻方式；對(duì) 含有晶體的整個(gè)環(huán)繞式水冷套，采用制冷池的整體包圍冷卻的方式，以維持的晶體的熱傳 導(dǎo)，增加激光效率。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于減小甚至消除了晶體中的橫向溫差效應(yīng)，從而 大大減小了晶體中的"熱畸變"，能夠明顯改善激光的光束質(zhì)量，這對(duì)于高功率固體激光 器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1、一種激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置，其特征在于它包括環(huán)繞式水冷套，用于提供晶體環(huán)繞對(duì)稱的溫度場(chǎng)分布，并通過水溫調(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(fēng)扇，用于維持制冷池中的冷氣流動(dòng)，增加導(dǎo)熱率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置，其特征在于 制冷池的頂面與半導(dǎo)體制冷器的制冷端相連接，制冷池的下端安裝排氣風(fēng)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)?zhǔn)制冷池的通光窗口。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置，其特征在于所 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(jī)提供。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置，其特征在于所 述的半導(dǎo)體制冷器的一邊為制冷端，制冷溫度-20°050°(3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。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置，其特征在于所 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；制冷池在晶體通光 方向的兩壁上設(shè)置窗口；
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置，其特征在于所 述的排氣風(fēng)扇為與制冷池大小相匹配的小葉扇，置于制冷池底部。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體抗熱畸變的冷卻裝置，其特征在于所 述的環(huán)繞式水冷套中放晶體的孔的大小和形狀要與晶體尺寸匹配。
8、 權(quán)利要求1所述的激光晶體抗熱畸變冷卻裝置的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于 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(duì)準(zhǔn)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(fēng)扇，半導(dǎo)體制冷器的 溫度控制在10。C，通過制冷池壁的傳導(dǎo)和底部排氣風(fēng)扇的對(duì)流作用，維持制冷 池內(nèi)的溫度在10 °C;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(jī)提供，對(duì)于激光器不同功率下的運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量出激光晶體的表面溫度，根據(jù)測(cè)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?。?4)通過激光光束質(zhì)量分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫差改變前后的激光光斑變化。
全文摘要
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(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明包括環(huán)繞式水冷套，制冷池，半導(dǎo)體制冷器和排氣風(fēng)扇，制冷池的頂面與半導(dǎo)體制冷器的制冷端相連接，制冷池的下端安裝排氣風(fēng)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)?zhǔn)制冷池的通光窗口。本發(fā)明采用冷卻水必須采用環(huán)繞方式和通過適當(dāng)“升溫”來減小晶體側(cè)向邊界與晶體通光中心的溫差已經(jīng)以及采用環(huán)繞冷氣對(duì)晶體進(jìn)行整體散熱，降低了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。
文檔編號(hào)H01S3/04GK101656392SQ20091007042
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者路 柴, 王清月, 胡明列, 葛文琦, 杰 閆 申請(qǐng)人:天津大學(xué)