一種能實現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進行有效熱控制的熱管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能實現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進行有效熱控制的熱管理方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
連續(xù)運轉(zhuǎn)下的髙平均功率固體激光器，激光的發(fā)射和冷卻同時進行。本發(fā)明涉及的是一種LED抽運固體激光器，并在熱容方式下工作，即激光的發(fā)射過程和對激光增益介質(zhì)的冷卻過程在時間上是分開的。理論計算表明，固體熱容激光器(Solid State CapacityLaser,簡稱為SSHCL)非絕熱的邊界條件會導(dǎo)致工作介質(zhì)在垂直光軸方向產(chǎn)生溫度梯度，由此導(dǎo)致光束有效通光孔徑的減小或?qū)Σ娈a(chǎn)生影響。因此在實驗中應(yīng)盡量采取一些措施使介質(zhì)接近準(zhǔn)絕熱狀態(tài)，從而保證非通光方向溫度的均勻性。在SSHCL的激光發(fā)射階段，激光介質(zhì)的溫度不斷升高，在激光發(fā)射結(jié)束后，為盡快進入下一個工作周期，必須對熱的激光增益介質(zhì)進行強制冷卻，這會導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)的溫度分布與發(fā)射階段截然相反，且與實時冷卻方式介質(zhì)的冷卻有著不同的特性，主要表現(xiàn)在冷卻初期溫度梯度及瞬時應(yīng)力較大。
[0003]關(guān)于SSHCL熱管理系統(tǒng)的設(shè)計方法，國內(nèi)尚無公幵發(fā)表的文獻。國外的一些文章對工作介質(zhì)的冷卻方法進行了討論:AlbreCht等人探討了氣體強迫對流冷卻和相變冷卻法在介質(zhì)冷卻中的應(yīng)用，并給出了估算一維近似下板條冷卻階段最大溫差和最大應(yīng)力的公式(Laser and Particle Bearns, 1998，16 (4):605-225)。美國利弗莫爾實驗室則提出增益介質(zhì)交換的方法(采用可活動式的板條)，可實現(xiàn)SSHCL的準(zhǔn)連續(xù)運轉(zhuǎn)(專利U.S, 862，308)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述現(xiàn)有的缺點，本發(fā)明的主要目的在于提供一種實用的能實現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進行有效熱控制的熱管理方法，既降低了對冷卻系統(tǒng)的要求又降低了冷卻初期與被冷卻介質(zhì)接觸時帶來的應(yīng)力，同時有效縮短了冷卻時間。
[0005]為達成以上所述的目的，本發(fā)明的一種能實現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進行有效熱控制的熱管理方法采取如下技術(shù)方案:
一種能實現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進行有效熱控制的熱管理方法，其特征在于，抽運光和輸出激光方向一致，在激光發(fā)射階段激光增益介質(zhì)非抽運面近似絕熱，冷卻階段采用流速增加的常溫的冷卻介質(zhì)進行冷卻，在冷卻初期，采用常溫低流速的冷卻介質(zhì)對熱的激光介質(zhì)進行強迫冷卻，數(shù)秒后迅速增加冷卻介質(zhì)的流速，所述的冷卻介質(zhì)的低流速的下限為維持冷卻介質(zhì)處于湍流狀態(tài)。
[0006]它包括有，激光介質(zhì)非抽運面的絕熱結(jié)構(gòu)、冷卻抽運面的冷卻通道、冷卻介質(zhì)的流速控制系統(tǒng)，所述激光介質(zhì)非抽運面的絕熱結(jié)構(gòu)，由壓緊裝置將一絕熱材料層貼合于激光介質(zhì)的非抽運面，所述冷卻抽運面的冷卻通道，冷卻通道由窗口玻璃、激光介質(zhì)的兩抽運面及置于二者周沿的密封圈、冷卻介質(zhì)的入口和出口構(gòu)成，所述的冷卻介質(zhì)為水或氣體。
[0007]采用如上技術(shù)方案的本發(fā)明，具有如下有益效果:
本發(fā)明既降低了對冷卻系統(tǒng)的要求又降低了冷卻初期與被冷卻介質(zhì)接觸時帶來的應(yīng)力，同時有效縮短了冷卻時間。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明的激光增益介質(zhì)示意圖。
[0009]圖2為本發(fā)明熱管理結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理示意簡圖(Y-Z剖面圖)。
【具體實施方式】
為了進一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實施例進一步進行說明:
圖1為本發(fā)明的激光增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖，激光介質(zhì)10可以是激光玻璃，也可以是Nd:GGG或Nd:YAG或其它可工作于熱容方式的激光晶體。抽運光束1從Z方向兩側(cè)入射，X_Y面為抽運面，其它面為非抽運面。
[0010]圖2為本發(fā)明熱管理結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意簡圖。本發(fā)明涉及的熱管理結(jié)構(gòu)由兩大部分組成:
1)壓板6、16和絕熱材料7、17構(gòu)成絕熱結(jié)構(gòu)，其中絕熱材料7、17貼合于激光介質(zhì)10，壓板6、16分別在絕熱材料7、17之外將所述的絕熱材料7、17固定；
2)窗口玻璃4、11分別通過密封圈9、14和激光介質(zhì)10構(gòu)成板條形激光介質(zhì)10兩側(cè)的冷卻通道12、19，該通道高度9根據(jù)實際需要設(shè)計。只直接影響到換熱系數(shù)11，可由公式1進行理論估算，設(shè)計高度應(yīng)保證換熱系數(shù)不低于0.3ff/cm2K.5、8為出水管，15、18為進水管。
[0011]在激光發(fā)射階段，絕熱結(jié)構(gòu)改善了非通光方向的溫度分布，未采用絕熱結(jié)構(gòu)時溫度分布除通光方向不均勻外，在Y方向也為非均勻分布；采用絕熱結(jié)構(gòu)后，溫度分布在Y方向是均勻的，由此降低了輸出波面的畸變。冷卻系統(tǒng)開始運轉(zhuǎn)時，通道中通以常溫的冷卻介質(zhì)13，初期采用低流速，數(shù)秒后迅速線性均勻提高流速，提高對流換熱系數(shù)，從而達到安全快速冷卻的目的。
[0012]針對激光發(fā)射時間10秒鐘、平均輸出功率5KW的Nd:GGG板條熱容激光器設(shè)計方案，冷卻介質(zhì)為室溫水的情況下，當(dāng)通道高度H=5mm時，本發(fā)明在冷卻初始保持水流速lm/s (對流換熱系數(shù)約0.4W/cm2K),約3秒后迅速提高流速,這樣，在冷卻階段最大應(yīng)力約為85MPa,處于安全應(yīng)力范圍之內(nèi)，且在30秒后板條形激光介質(zhì)10的溫度分布均勻，趨于室溫293Κ0
【主權(quán)項】
1.一種能實現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進行有效熱控制的熱管理方法，其特征在于，抽運光和輸出激光方向一致，在激光發(fā)射階段激光增益介質(zhì)非抽運面近似絕熱，冷卻階段采用流速增加的常溫的冷卻介質(zhì)進行冷卻，在冷卻初期，采用常溫低流速的冷卻介質(zhì)對熱的激光介質(zhì)進行強迫冷卻，數(shù)秒后迅速增加冷卻介質(zhì)的流速，所述的冷卻介質(zhì)的低流速的下限為維持冷卻介質(zhì)處于湍流狀態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能實現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進行有效熱控制的熱管理方法，其特征在于，它包括有，激光介質(zhì)非抽運面的絕熱結(jié)構(gòu)、冷卻抽運面的冷卻通道、冷卻介質(zhì)的流速控制系統(tǒng)，所述激光介質(zhì)非抽運面的絕熱結(jié)構(gòu)，由壓緊裝置將一絕熱材料層貼合于激光介質(zhì)的非抽運面，所述冷卻抽運面的冷卻通道，冷卻通道由窗口玻璃、激光介質(zhì)的兩抽運面及置于二者周沿的密封圈、冷卻介質(zhì)的入口和出口構(gòu)成，所述的冷卻介質(zhì)為水或氣體。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種能實現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進行有效熱控制的熱管理方法，其特征在于，抽運光和輸出激光方向一致，在激光發(fā)射階段激光增益介質(zhì)非抽運面近似絕熱，冷卻階段采用流速增加的常溫的冷卻介質(zhì)進行冷卻，在冷卻初期，采用常溫低流速的冷卻介質(zhì)對熱的激光介質(zhì)進行強迫冷卻，數(shù)秒后迅速增加冷卻介質(zhì)的流速，所述的冷卻介質(zhì)的低流速的下限為維持冷卻介質(zhì)處于湍流狀態(tài)。本發(fā)明既降低了對冷卻系統(tǒng)的要求又降低了冷卻初期與被冷卻介質(zhì)接觸時帶來的應(yīng)力，同時有效縮短了冷卻時間。
【IPC分類】H01S3/042
【公開號】CN105470790
【申請?zhí)枴緾N201410412401
【發(fā)明人】何陽, 米奇
【申請人】西安慧澤知識產(chǎn)權(quán)運營管理有限公司
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2014年8月21日