專利名稱：薄片激光介質(zhì)的溫度控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光介質(zhì)的溫度控制技術(shù)，特別涉及一種薄片激光介質(zhì)的溫度控制裝置，屬于固體激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在高平均功率全固態(tài)激光器的發(fā)展過程中，提高二極管泵浦全固態(tài)激光系統(tǒng)的輸出功率和亮度一直是激光研究者的主要任務(wù)和目標(biāo)。然而，在全固態(tài)激光器系統(tǒng)中，激光介質(zhì)吸收二極管泵浦光能量，在引起激活粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光振蕩時，只有一部分的泵浦光能量轉(zhuǎn)換為激光輻射，而其余部分能量則由無輻射躍遷以及被晶體吸收并轉(zhuǎn)變成熱能沉積在激光介質(zhì)內(nèi)部，這就使得全固態(tài)激光器的激光介質(zhì)的內(nèi)部形成非均勻的溫度場分布，由此會引起激光介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力以及激光介質(zhì)端面變形和波前熱畸變等問題，從而產(chǎn)生一系列的熱效應(yīng)問題。如熱致非球面厚透鏡效應(yīng)、熱致應(yīng)力雙折射退偏效應(yīng)等現(xiàn)象；這些現(xiàn)象不僅不利于激光器諧振腔的設(shè)計而且還會使激光光束質(zhì)量下降，同時限制了激光輸出功率的進一步提高。因此為了緩解激光介質(zhì)內(nèi)部的熱效應(yīng)對激光輸出產(chǎn)生不利的影響，必須從根本上減少熱量、熱流密度以及熱流的傳導(dǎo)路程對激光輸出光場的影響。關(guān)于這方面激光研究者已建立了許多模型裝置，其中較為理想的模型是由德國斯圖加特大學(xué)的Giesen. A博士等人在文獻"Giesen. A, Hugel. H Voss. A, etal. Scalable concept for diode-pumped high power solid-state lasers, Appl. Phys B，1994，58 :365-372. ” 中報道的二極管泵浦的薄片激光器結(jié)構(gòu)，在很大程度上克服了固體激光器中固有的熱效應(yīng)問題。由于薄片激光器的激光介質(zhì)厚度相對它的口徑尺度來說很小，即使使用非常高的泵浦能量也不會在薄片晶體上產(chǎn)生大的溫度梯度，因此也就大大降低了熱效應(yīng)。但是薄片激光器在實際工作過程中很難做到整個口徑均勻泵浦，并且薄片各個面的冷卻條件不同，薄片激光介質(zhì)中也會產(chǎn)生非均勻的溫度梯度分布，在高功率工作時也會不可避免地引起嚴(yán)重的熱效應(yīng)，從而也導(dǎo)致了激光輸出功率難于進一步的提高和光束質(zhì)量的下降的問題。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的正是在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷與不足，而提供一種薄片激光介質(zhì)的溫度控制裝置；該裝置是利用半導(dǎo)體制冷片陣列對激光介質(zhì)分區(qū)域進行溫度控制，根據(jù)實際檢測到的各激光介質(zhì)子區(qū)域的實際溫度分布情況不同，半導(dǎo)體制冷片對其分別做出制冷或者制熱響應(yīng)，從而實現(xiàn)對激光介質(zhì)整體溫度的精確動態(tài)控制。為實現(xiàn)本實用新型的上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本實用新型提出的一種薄片激光介質(zhì)溫度控制裝置，包括激光介質(zhì)、焊接層、熱沉、導(dǎo)熱膠、散熱器、風(fēng)扇及固定架、閉環(huán)電路控制系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)；按照本發(fā)明，還包括由若干半導(dǎo)體制冷片組成的半導(dǎo)體制冷片陣列，半導(dǎo)體制冷片的冷端面及熱端面，溫度傳感器；所述各半導(dǎo)體制冷片的冷端面與對應(yīng)的溫度傳感器連接；各半導(dǎo)體制冷片的冷端面通過導(dǎo)熱膠與熱沉連接；半導(dǎo)體制冷片的熱端面與散熱器緊密連接；閉環(huán)電路控制系統(tǒng)與溫度傳感器、半導(dǎo)體制冷片、風(fēng)扇、以及計算機系統(tǒng)連接。上述技術(shù)方案中，所述的熱沉的厚度為0. 5_5mm。上述技術(shù)方案中，所述的半導(dǎo)體制冷片陣列的形狀可以是矩形、或者方形、或者圓形，或者與激光介質(zhì)的分布形狀相對應(yīng)。上述技術(shù)方案中，所述的半導(dǎo)體制冷片陣列的排列方式可以為方形陣列、或者矩形陣列、或者扇形陣列。本實用新型所述的裝置中，當(dāng)薄片激光器工作時，激光介質(zhì)的溫度通過焊接層、熱沉、導(dǎo)熱膠等傳導(dǎo)至半導(dǎo)體制冷片陣列上的半導(dǎo)體制冷片的冷端面上；溫度傳感器實時檢測半導(dǎo)體制冷片的冷端面上的實際溫度，溫度傳感器將該實際溫度發(fā)送至計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)發(fā)出溫度控制信號，該溫控信號通過閉環(huán)電路控制系統(tǒng)實時反饋給半導(dǎo)體制冷片，半導(dǎo)體制冷片則根據(jù)溫度控制信號對激光介質(zhì)各子區(qū)域做出制冷或者制熱響應(yīng)，從而實現(xiàn)對激光介質(zhì)子區(qū)域溫度的精確控制，進而達到對激光介質(zhì)整體溫度的精確控制的目的。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點和有益技術(shù)效果1、本實用新型所提出的薄片激光介質(zhì)的溫度控制裝置，采用半導(dǎo)體制冷片陣列作為激光介質(zhì)的溫度控制元件，與傳統(tǒng)的單一的制冷方式相比，能夠?qū)崿F(xiàn)對激光介質(zhì)分區(qū)域制冷或者制熱，從而達到對激光介質(zhì)溫度整體控制的目的，克服了傳統(tǒng)制冷方式冷卻不均的問題。2、本實用新型所提出的薄片激光介質(zhì)的溫度控制裝置，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片制冷或者制熱的效率；通過切換電流方向，可使半導(dǎo)體制冷片從制冷工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài)；響應(yīng)速度快，效率高，使用壽命長，且易于控制。3、本實用新型所提出的薄片激光介質(zhì)的溫度控制裝置，采用半導(dǎo)體制冷片陣列作為激光介質(zhì)的溫度控制元件，無機械傳動部分，工作中無噪音，無液體、氣體工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境；并且體積小，易于集成化與智能化控制。4、本實用新型所提出的薄片激光介質(zhì)的溫度控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對激光介質(zhì)溫度分區(qū)域控制，通過對激光介質(zhì)各子區(qū)域制冷或制熱，使得激光介質(zhì)的整體溫度維持在一個較為均勻的溫度分布；有效地降低了激光器因激光介質(zhì)熱效應(yīng)引起的熱致應(yīng)力雙折射和熱透鏡效應(yīng)的影響，從而有效提高了激光的輸出功率和光束質(zhì)量。

圖1是本實用新型薄片激光介質(zhì)溫度控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型裝置3X3半導(dǎo)體制冷片陣列示意圖；圖3是本實用新型裝置圓形半導(dǎo)體制冷片扇形陣列示意圖；圖4是本實用新型裝置6X3矩形半導(dǎo)體制冷片陣列示意圖；圖5是本實用新型實施例一激光介質(zhì)溫度控制前的溫度分布等高線圖；圖6是本實用新型實施例一 6X6矩形半導(dǎo)體制冷片陣列的示意圖；[0022]圖7是本實用新型實施例一激光介質(zhì)溫度控制后的溫度分布等高線圖；圖8是本實用新型實施例一激光介質(zhì)溫度控制前和控制后過χ軸中心的溫度分布對比圖；圖9是本實用新型實施例一激光介質(zhì)熱流控制前和控制后過χ軸中心的溫度分布對比圖。圖中，1-激光介質(zhì)，2-焊接層，3-熱層，4-導(dǎo)熱膠，5-半導(dǎo)體制冷片陣列，6_半導(dǎo)體制冷片，7-散熱器，8-風(fēng)扇，9-冷端面，10-熱端面，11-溫度傳感器，12-固定架，13-閉環(huán)電路控制系統(tǒng)，14-計算機系統(tǒng)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，并通過具體實施例對本實用新型激光介質(zhì)溫度控制裝置作進一步詳細(xì)說明，但它僅用于說明本實用新型的一些具體的實施方式，而不應(yīng)理解為對本實用新型保護范圍的任何限定。本實用新型所述一種薄片激光介質(zhì)溫度控制裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括激光介質(zhì)1，焊接層2，熱沉3，導(dǎo)熱膠4，散熱器7，風(fēng)扇8，固定架12，閉環(huán)電路控制系統(tǒng)13 和計算機系統(tǒng)14，半導(dǎo)體制冷片6，由各半導(dǎo)體制冷片6組成的半導(dǎo)體制冷片陣列5，半導(dǎo)體制冷片6的冷端面9及熱端面10，溫度傳感器11 ；所述激光介質(zhì)1通過焊接層2與熱沉 3緊密相連；所述半導(dǎo)體制冷片陣列5上各半導(dǎo)體制冷片6的冷端面9與對應(yīng)的溫度傳感器11連接，半導(dǎo)體制冷片6的冷端面9還通過導(dǎo)熱膠4與熱沉3緊密連接；半導(dǎo)體制冷片 6的熱端面10與散熱器7緊密連接；閉環(huán)電路控制系統(tǒng)13與溫度傳感器11、半導(dǎo)體制冷片 6、風(fēng)扇8、以及計算機系統(tǒng)14連接；所述風(fēng)扇8與散熱器7固定在一起，散熱器7被固定于固定架12上。當(dāng)薄片激光器工作時，激光介質(zhì)1的溫度通過焊接層2、熱沉3和導(dǎo)熱膠4等傳導(dǎo)至半導(dǎo)體制冷片陣列5上的各半導(dǎo)體制冷片6的冷端面9上；溫度傳感器11實時檢測半導(dǎo)體制冷片6的冷端面上的實際溫度，發(fā)送至計算機控制系統(tǒng)14后，與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度比較后發(fā)出溫控信號，溫控信號通過閉環(huán)電路控制系統(tǒng)13實時反饋給半導(dǎo)體制冷片6和風(fēng)扇8， 半導(dǎo)體制冷片6根據(jù)溫控信號對激光介質(zhì)的各自區(qū)域做出制冷或者是制熱響應(yīng)，實現(xiàn)對激光介質(zhì)子區(qū)域溫度的精確控制，從而達到對激光介質(zhì)整體溫度精確控制的目的。進而使得薄片激光介質(zhì)整體溫度維持在一個較為均勻的溫度分布，能有效消除熱應(yīng)力的影響；因此可有效地降低了激光器因激光介質(zhì)熱效應(yīng)引起的熱致應(yīng)力雙折射和熱透鏡效應(yīng)的影響，提高了激光的輸出功率和光束質(zhì)量。從上述分析可知，要實現(xiàn)對薄片激光介質(zhì)溫度的整體控制，其特征在于采用半導(dǎo)體制冷片陣列作為激光介質(zhì)溫度控制裝置中的溫度控制元件，利用該溫度控制元件對激光介質(zhì)分區(qū)域地進行溫度控制。其中，對激光介質(zhì)分區(qū)域的方式即半導(dǎo)體制冷片的排列方式可以根據(jù)實際激光介質(zhì)的分布形狀靈活選擇。如圖2所示，是3X3方形半導(dǎo)體制冷片陣列示意圖，對激光介質(zhì)分為3 X 3方形區(qū)域，然后通過各個方形子區(qū)域直接設(shè)定目標(biāo)溫度或者是控制熱流的大小從而實現(xiàn)對激光介質(zhì)整體溫度的控制。圖3所示的是圓形半導(dǎo)體制冷片扇形陣列示意圖，它適用于對圓形激光介質(zhì)進行分區(qū)域溫度控制。圖4所示的是6X 3矩形半導(dǎo)體制冷片陣列示意圖，對于激光介質(zhì)的分區(qū)域形式可以根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的形狀靈活的選擇。實施例1本實例中，利用有限元分析軟件ANSYS對本實用新型所述的激光介質(zhì)溫度控制裝置的整個工作過程進行模擬實驗。所用具體參數(shù)如下所述的激光介質(zhì)1采用熱導(dǎo)率為 13ff/(m · K)的方形薄片Nd:YAG晶體，大小取長寬為30X30mm，厚度為Imm ；焊接層2的厚度為0. 3mm ；熱沉3采用熱導(dǎo)率為221W/(m · K)的紫銅熱沉，大小長寬為30 X 30mm，厚度為 Imm ；導(dǎo)熱膠4為導(dǎo)熱硅膠，散熱器7為鋁散熱片，風(fēng)扇8其功率為24W的直流風(fēng)扇，溫度傳感器11采用檢測精度為0. 1度的熱敏電阻溫度傳感器，閉環(huán)電路控制系統(tǒng)13為單片機可控閉環(huán)電路系統(tǒng)，計算系統(tǒng)14為PC計算機，設(shè)基準(zhǔn)溫度Ttl = 328K。假設(shè)激光器工作時激光介質(zhì)的初始溫度的等高線分布如圖5所示；半導(dǎo)體制冷片陣列5的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，采用的是6X6矩形排列的半導(dǎo)體制冷片陣列，其中T1,T2， T3表示各激光介質(zhì)子區(qū)域設(shè)定的目標(biāo)控制溫度，各半導(dǎo)體制冷片6的驅(qū)動電壓為12V、制冷能力100W/cm2 ；溫度傳感器11檢測到激光介質(zhì)1各個子區(qū)域的溫度發(fā)送至計算機系統(tǒng)14 后，與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度比較后發(fā)出溫度控制信號，溫度控制信號通過閉環(huán)電路控制系統(tǒng)13 實時反饋給半導(dǎo)體制冷片6，半導(dǎo)體制冷片6根據(jù)該溫度控制信號做出相應(yīng)的響應(yīng)，對高于基準(zhǔn)溫度Ttl = 328K的激光介質(zhì)1子區(qū)域制冷，而對低于基準(zhǔn)溫度Ttl = 328K的激光介質(zhì)1 子區(qū)域制熱，得到控制后的激光介質(zhì)1的溫度分布如圖7所示。圖8為對激光介質(zhì)1實行溫度控制前和控制后的過χ軸中心線上的溫度對比圖。同樣的，可以通過設(shè)定半導(dǎo)體制冷片6工作電流的大小的方式來達到對激光介質(zhì) 1各個子區(qū)域上熱流大小的控制，從而達到對激光介質(zhì)溫度的整體控制。圖9為對激光介質(zhì)1實行熱流控制前和控制后的過χ軸中心線上的溫度對比圖，通過實行熱流密度控制以達到對熱流的控制，其中HF1, HF2, HF3分別為激光介質(zhì)1對應(yīng)區(qū)域上的給定的熱流密度值。通過以上的實施例可以看出，本實用新型的裝置對薄片激光器激光介質(zhì)的溫度控制是利用半導(dǎo)體制冷片陣列對激光介質(zhì)分區(qū)域進行溫度控制，可以改善薄片激光器的激光介質(zhì)的溫度分布，減小激光介質(zhì)內(nèi)部的溫度梯度，從而有效地減小熱應(yīng)力的影響，是一個可行的溫度控制裝置。同時，該裝置還可以改善抽運不均勻性，改善抽運不均勻帶來的溫度梯度變化問題。
權(quán)利要求1.一種薄片激光介質(zhì)溫度控制裝置，包括激光介質(zhì)(1)、焊接層O)、熱沉(3)、導(dǎo)熱膠 (4)、散熱器(7)、風(fēng)扇(8)及固定架(12)、閉環(huán)電路控制系統(tǒng)(13)和計算機系統(tǒng)(14)；其特征在于還包括由若干半導(dǎo)體制冷片(6)組成的半導(dǎo)體制冷片陣列(5)，半導(dǎo)體制冷片(6) 的冷端面(9)及熱端面(10)，溫度傳感器(11)；所述半導(dǎo)體制冷片(6)冷端面(9)與對應(yīng)的溫度傳感器(11)連接；各半導(dǎo)體制冷片(6)的冷端面(9)通過導(dǎo)熱膠⑷與熱沉(3)連接；半導(dǎo)體制冷片(6)的熱端面(10)與散熱器(7)緊密連接；閉環(huán)電路控制系統(tǒng)(13)與溫度傳感器(11)、半導(dǎo)體制冷片(6)、風(fēng)扇(8)、以及計算機系統(tǒng)(14)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的熱沉(3)的厚度為0.5-5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述的半導(dǎo)體制冷片陣列( 的形狀可以是矩形、或者方形、或者圓形，或者與激光介質(zhì)(1)的分布形狀相對應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的裝置，其特征在于所述的半導(dǎo)體制冷片陣列(5)的排列方式可以為方形陣列、或者矩形陣列、或者扇形陣列。
專利摘要本實用新型涉及一種薄片激光介質(zhì)溫度控制裝置。該裝置通過設(shè)置的半導(dǎo)體制冷片陣列對激光介質(zhì)分區(qū)域進行溫度控制。包括激光介質(zhì)及與其連接的熱沉、導(dǎo)熱膠及其上的溫度傳感器、半導(dǎo)體制冷片陣列、閉環(huán)電路控制系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)；溫度傳感器實時檢測激光介質(zhì)子區(qū)域的實際溫度，并將其發(fā)送至計算機系統(tǒng)與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度比較后發(fā)出溫控信號；由閉環(huán)電路實時反饋給半導(dǎo)體制冷片，實現(xiàn)對激光介質(zhì)子區(qū)域溫度實時控制；從而實現(xiàn)對激光介質(zhì)整體溫度控制。本實用新型能動態(tài)控制激光介質(zhì)溫度的均勻分布，有效地抑制了激光介質(zhì)熱效應(yīng)問題。
文檔編號H01S5/024GK201966487SQ20112005609
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月6日
發(fā)明者馮國英, 周壽桓, 杜永兆, 楊火木 申請人:四川大學(xué)