專利名稱：一種大功率激光金屬泵浦腔的冷卻方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率激光金屬泵浦腔的冷卻方法及裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率激光器泵浦腔的強(qiáng)制冷卻，屬于激光技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
泵浦腔是燈泵浦大功率固體激光器的心臟，包含有泵浦源，工作物質(zhì)，耦合表面。由于燈泵浦激光器效率極低(總電光效率3％-7％)，其大部分注入泵浦腔的能量都轉(zhuǎn)換為泵浦源、工作物質(zhì)、耦合表面的內(nèi)能，所以要保證上萬瓦電功率激光器的長期穩(wěn)定性，必須對(duì)泵浦腔內(nèi)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。
目前燈泵浦大功率固體激光器的冷卻系統(tǒng)有兩種方式1、全腔冷卻的陶瓷泵浦腔激光器。由于該腔形需使燈兩電極浸沒在冷卻水中，燈在預(yù)燃時(shí)觸發(fā)電壓高達(dá)1萬多伏，則要求冷卻水阻抗相當(dāng)高，而且其腔內(nèi)漫反射表面與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低反射效率，導(dǎo)致輸出功率降低，此動(dòng)作為不可恢復(fù)性。2、分部冷卻的金屬泵浦腔激光器。該腔型采用對(duì)工作物質(zhì)，泵浦燈及反射面分別冷卻，泵浦燈電極露在冷卻回路之外，冷卻水經(jīng)過金屬反射面背面，通過熱傳導(dǎo)對(duì)表面進(jìn)行冷卻，其制冷量大，穩(wěn)定性能相當(dāng)可靠，而其缺點(diǎn)是泵浦腔內(nèi)相同器件(泵浦燈，反射面)在相同工作狀態(tài)下由于冷卻不均勻難保持一致，器件的冷卻不均勻?qū)е录す馄鳠嵝?yīng)加強(qiáng)，不僅降低輸出功率、光束質(zhì)量，還大大縮短激光器壽命。機(jī)械加工難度高，機(jī)械裝配復(fù)雜，現(xiàn)今燈泵浦大功率固體激光器多采用單工作物質(zhì)、雙泵浦燈結(jié)構(gòu)，其注入電功率高達(dá)萬瓦，本發(fā)明針對(duì)此類激光器缺點(diǎn)，很好的解決了現(xiàn)今存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種大功率激光金屬泵浦腔的冷卻方法及裝置，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)大功率激光器泵浦腔的強(qiáng)制冷卻，保障大功率工業(yè)激光器的穩(wěn)定工作。
本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。本方法按照工作物質(zhì)、反射面、泵浦燈吸收熱量的多少，確定冷卻水先集中冷卻工作物質(zhì)，從工作物質(zhì)流出的冷卻水分為對(duì)稱兩路，使兩路冷卻水同步地冷卻上下反射面，從上下冷卻槽流出的冷卻水再分別冷卻兩泵浦燈，最后流出該冷卻系統(tǒng)。
按照上面所述的一種大功率激光金屬泵浦腔的冷卻方法，設(shè)計(jì)了一種大功率激光金屬泵浦腔的冷卻裝置，該裝置是針對(duì)雙燈泵浦單工作物質(zhì)。本裝置主要包括有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似并可相互配合連接的泵浦腔下體116、泵浦腔上體115，泵浦腔下體116主要包括有前堵頭101、后堵頭102和設(shè)置于前堵頭和后堵頭之間的下冷卻槽103，下冷卻槽103的上面為泵浦腔的下反射面，泵浦腔上體115主要包括有前右水腔106、后右水腔108、前左水腔107、后左水腔109，后右水腔108和后左水腔109之間設(shè)置有連接頭110，在四個(gè)水腔之間設(shè)置有上冷卻槽111，在上冷卻槽111的下面設(shè)置有上反射面。泵浦腔下體116上的前堵頭101上主要設(shè)置有前堵頭入水口1、前堵頭出水口3，冷卻水從前堵頭入水口1流入，前堵頭入水口1設(shè)置在前堵頭101的底部并與前堵頭出水口3相連通，前堵頭出水口3通過套在工作物質(zhì)外面的玻璃管104與后堵頭入水口7連通，后堵頭入水口7與后堵頭上支路出水口10和后堵頭下支路出水口9連通，后堵頭下支路出水口9與下冷卻槽入水口25連通，下冷卻水槽出水口27與前堵頭101的下支路入水口4相通，下冷卻槽定位孔25和前堵頭定位孔5通過圖21的連接管連接固定，前堵頭101的下支路出水口6與前左水腔入口28連通，前左水腔出水口31通過套在左泵浦燈外面的玻璃管113與后左水腔入口32連通，前左水腔定位孔30和上水冷槽定位孔16通過圖24連接管連接定位，后左水腔出水口34與后堵頭下支路回水口11連通，后堵頭下支路回水口11貫通于后堵頭102并連通于泵浦腔體外；后堵頭上支路出水口10與泵浦腔上體115上面的連接頭入水口13連通，連接頭出水口14與上冷卻槽入水口15連通，上冷卻槽出水口17與前右水腔入水口18連通，前右水腔出水口21通過套在右泵浦燈外面的玻璃管112與后右水腔入水口22連通，后右水腔出水口24與后堵頭上支路回水口12連通，后堵頭下支路回水口12貫通于下堵頭102并連通于泵浦腔體外。后堵頭入水口7、后堵頭下支路回水口11和后堵頭上支路回水口12之間互不連通，前堵頭入水口1與前堵頭下支路入水口4不連通。
由于泵浦燈的電光效率為50％～80％，而工作物質(zhì)的吸收效率為5％～10％，工作物質(zhì)吸收的熱量為泵浦燈的好幾倍，所以本發(fā)明中讓冷卻水首先集中冷卻工作物質(zhì)。冷卻量由工作物質(zhì)與濾紫外玻璃導(dǎo)管間的冷卻水橫截面積(圓環(huán)空間半徑為1～2mm)和激光器專用水冷器決定。泵浦腔流水截面積的大小決定了泵浦腔入水口的水流截面積，通常后者稍大于前者即可。
本發(fā)明的工作過程冷卻水由泵浦腔入水口即前堵頭入水口1導(dǎo)入，從前堵頭出口3通過套在工作物質(zhì)外面的玻璃管104流入后堵頭入水口7，然后分為兩路一路冷卻水經(jīng)過后堵頭下支路出水口9流到下冷卻槽入水口25，然后從下冷卻槽出水口27流入前堵頭101的下支路入水口4，再從前堵頭101的下支路出水口6流到前左水腔入水口28，從前左水腔出水口31通過套在左泵浦燈外面的玻璃管113流入后左水腔入水口32，再從后左水腔出水口34流入后堵頭下支路回水口11，并從后堵頭下支路回水口11流出泵浦腔外；另一路冷卻水從后堵頭上支路出水口10流入泵浦腔上體115上面的連接頭入水口13，然后從連接頭出水口14流入上冷卻槽入水口15，再從上冷卻槽出水口17流入前右水腔入水口18，再從前右水腔出水口21通過套在右泵浦燈外面的玻璃管112流到后右水腔入水口22，最后從后右水腔出水口24流入后堵頭上支路回水口12，并從上支路回水口12流出泵浦腔體。
本發(fā)明有以下兩個(gè)特點(diǎn)1)機(jī)械加工難度低，易于密封，密封強(qiáng)度高穩(wěn)定性好；2)主次分明地冷卻工作物質(zhì)、耦合表面、泵浦源；3)對(duì)工作物質(zhì)，泵浦源，耦合表面采用分部對(duì)稱冷卻，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率泵浦腔的強(qiáng)制冷卻，提高激光器的穩(wěn)定性能。


圖1冷卻裝置總結(jié)構(gòu)圖2上部腔體散裝3下部腔體散裝圖 圖4前堵頭剖視5前堵頭俯視6前堵頭右視7后堵頭剖視8后堵頭俯視9后堵頭左視10連接頭剖視11連接頭左視圖 圖12上冷卻槽俯視13前右水腔剖視圖 圖14前右水腔剖視15后右水腔剖視圖 圖16后右水腔左視17下冷卻槽俯視圖 圖18前左水腔剖視19前左水腔右視圖 圖20后左水腔剖視21后左水腔左視圖 圖22接管1剖視23連接管1左視圖 圖24連接管2剖視25連接管2左視中101、前堵頭，102、后堵頭，103、下冷卻槽，104、套工作物質(zhì)的玻璃管，105、下底板，106、前右水腔，107、前左水腔，108、后右水腔，109、后左水腔，110、連接頭，111、上冷卻槽，112、套泵浦燈的玻璃管2113、套泵浦燈的玻璃管3，114、上蓋板，115、泵浦強(qiáng)上體，116、泵浦腔下體；1、前堵頭入水口，2前堵頭密封口 3前堵頭出水口4前堵頭下支路入水口5前堵頭定位孔 6前堵頭下支路出水口7后堵頭入水口 8后堵頭密封口 9后堵頭下支路出口10后堵頭上支路出水口 11后堵頭下支路回水口 12后堵頭上支路回水口13連接頭入水口 14連接頭出水口15上冷卻槽入水口16上冷卻槽定位孔 17上冷卻槽出水口 18前右水腔入水口19前右水腔工藝孔 20前右水腔密封口 21前右水腔出水口22后右水腔入水口 23后右水腔密封口 24后右水腔出水口25下冷卻槽入水口 26下冷卻槽定位孔 27下冷卻槽出水口
28前左水腔入水口29前左水腔密封口30前左水腔定位孔31前左水腔出水口32后左水腔入水口33后左水腔密封口34后左水腔出水口具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖1～圖25說明本實(shí)施例。
本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。本方法按照工作物質(zhì)、反射面、泵浦燈吸收熱量的多少，確定冷卻水先集中冷卻工作物質(zhì)，從工作物質(zhì)流出的冷卻水分為兩路，使兩路冷卻水同步地冷卻上下反射面，從上下反射面流出的冷卻水再分別冷卻兩泵浦燈，最后流出該冷卻系統(tǒng)。
根據(jù)大功率固體激光器冷卻方法，設(shè)計(jì)出一套冷卻腔內(nèi)器件轉(zhuǎn)接塊，連接塊圖形，其結(jié)構(gòu)總圖如圖1。該裝置是針對(duì)雙燈泵浦單工作物質(zhì)，本裝置主要包括有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似并可相互配合連接的泵浦腔下體116、泵浦腔上體115，泵浦腔下體116主要包括有前堵頭101、后堵頭102和設(shè)置于前堵頭和后堵頭之間的下冷卻槽103，下冷卻槽103的上面為泵浦腔的下反射面，泵浦腔下體116的每個(gè)單元塊都固定在底板105上。泵浦腔上體115主要包括有前右水腔106、后右水腔108、前左水腔107、后左水腔109，后右水腔108和后左水腔109之間設(shè)置有連接頭110，在四個(gè)水腔之間設(shè)置有上冷卻槽111，上冷卻槽111的下面為上反射面，泵浦腔上體116的每個(gè)單元塊都固定在上蓋板114上。泵浦腔下體116上的前堵頭101上主要設(shè)置有前堵頭入水口1、前堵頭出水口3，冷卻水從前堵頭入水口1流入，其中，前堵頭出水口3通過套在工作物質(zhì)外面的玻璃管104與后堵頭入水口7連通，后堵頭入水口7與后堵頭上支路出水口10和后堵頭下支路出水口9連通，后堵頭下支路出水口9通過連接管1與下冷卻槽入水口25連通，下冷卻水槽出水口27通過連接管1與前堵頭101的下支路入水口4相通，下冷卻槽定位孔26通過連接管1與前堵頭定位孔5相連，前堵頭下支路出水口6與前左水腔入水口28連通，前左水腔出水口31通過套在左泵浦燈外面的玻璃管113與后左水腔入水口32連通，后左水腔出水口34與后堵頭下支路回水口11連通，后堵頭下支路回水口11貫通于后堵頭102并連通于泵浦腔體外。后堵頭上支路出水口10與泵浦腔上體115上面的連接頭入水口13連通，連接頭出水口14與上冷卻槽入水口15連通，上冷卻槽出水口17與前右水腔入水口18連通，前右水腔出水口21通過套在右泵浦燈外面的玻璃管112與后右水腔入水口22連通，后右水腔出水口24與后堵頭上支路回水口12連通。后堵頭下支路回水口12貫通于下堵頭102并連通于泵浦腔體外。后堵頭入水口7、后堵頭下支路回水口11和后堵頭上支路回水口12之間互不連通，前堵頭入水口1與前堵頭下支路入水口4不連通。
本實(shí)施中前堵頭和后堵頭的截面形狀均為“T”型，四個(gè)水腔的形狀為長方體。上冷卻槽111和下冷卻槽103的形狀均為封閉的長方體，中間設(shè)有冷卻水流動(dòng)通道。
本實(shí)施例還設(shè)計(jì)出冷卻水路中單元與單元之間過渡的連接管，在連接管與單元配合的兩頭掏一凹槽，其內(nèi)套密封O圈 ，此時(shí)O圈外徑應(yīng)略大于連接體要嵌入的凹槽直徑0.4～0.6mm，嵌入即可對(duì)水路密封。
其中上冷卻槽定位孔16、下冷卻槽定位孔26，前左水腔定位孔30的作用是用連接管連接定位，對(duì)密封要求不高，只起定位作用。水路中前堵頭密封口2、后堵頭密封口8用O圈密封及壓片固定工作物質(zhì)兩端；前右水腔密封口20和后右水腔密封口23、前左水腔密封口29和后左水腔密封口33均用O圈密封及壓片固定泵浦燈兩端的燈頭。圖12中前右水腔的工藝孔19，最后必須密封。
本發(fā)明中泵浦腔冷卻回路的制作根據(jù)制作激光器所用的工作物質(zhì)、泵浦燈的尺寸及該激光器所需要的制冷量的大小，確定前堵頭入水口1的大小，其它連接頭、連接管及導(dǎo)水單元中水路橫截面的設(shè)計(jì)只要能保證冷卻工作物質(zhì)及泵浦燈的流量就行。然后用不銹鋼材料按照?qǐng)D4～25的模型加工，要求內(nèi)外表面光滑，同心度、平行度高，再將加工好的各單元及需冷卻反射面用O圈，玻璃管裝配好，最后再將工作物質(zhì)及泵浦燈放入其對(duì)應(yīng)位置，用O圈及壓片密封，至此，實(shí)現(xiàn)了泵浦腔整個(gè)冷卻回路，保障了大功率工業(yè)激光器的穩(wěn)定工作。
泵浦燈的壽命很短，需經(jīng)常更換，要求其重復(fù)定位精度高，故設(shè)計(jì)快拔式結(jié)構(gòu)。該方法需將泵浦燈、冷卻反射面的冷卻槽、泵浦燈的導(dǎo)管、泵浦燈夾持裝置均固定在一穩(wěn)定性好的上蓋上，更換泵浦燈時(shí)，手持上蓋一拔，即可取出以上器件，方便地更換泵浦燈。
權(quán)利要求
1.一種大功率激光金屬泵浦腔的冷卻方法，其特征在于，該方法是按如下順序進(jìn)行冷卻的首先，冷卻水先集中冷卻工作物質(zhì)，從工作物質(zhì)流出的冷卻水分為兩路，兩路冷卻水分別冷卻上下反射面，從上下反射面流出的兩路冷卻水再分別冷卻兩個(gè)泵浦燈，最后再分別流出該冷卻系統(tǒng)。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種大功率激光金屬泵浦腔的冷卻方法，設(shè)計(jì)了一種大功率激光金屬泵浦腔的冷卻裝置，該裝置是針對(duì)雙燈泵浦單工作物質(zhì)，其特征在于本裝置主要包括有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似并可相互配合連接的泵浦腔下體(116)、泵浦腔上體(115)，泵浦腔下體(116)主要包括有前堵頭(101)、后堵頭(102)和設(shè)置于前堵頭和后堵頭之間的下冷卻槽(103)，下冷卻槽(103)的上面為泵浦腔的下反射面，泵浦腔上體(115)主要包括有前右水腔(106)、后右水腔(108)、前左水腔(107)、后左水腔(109)，后右水腔(108)和后左水腔(109)之間設(shè)置有連接頭(110)，在四個(gè)水腔之間設(shè)置有上冷卻槽(111)，在上冷卻槽(111)的下面設(shè)置有上反射面；其中，冷卻水從前堵頭入水口(1)流入，前堵頭入水口(1)位于前堵頭的底部并與前堵頭出水口(3)連通，前堵頭出水口(3)通過套在工作物質(zhì)外面的玻璃管(104)與后堵頭入水口(7)連通，后堵頭入水口(7)與后堵頭下支路出水口(9)和后堵頭上支路出水口(10)連通，后堵頭下支路出水口(9)與下冷卻槽入水口(25)連通，下冷卻水槽出水口(27)與前堵頭(101)的下支路入水口(4)相通，前堵頭(101)的下支路出水口(6)與前左水腔入水口(28)連通，前左水腔出水口(31)通過套在左泵浦燈外面的玻璃管(113)與后左水腔入水口(32)連通，后左水腔出水口(34)與后堵頭下支路回水口(11)連通；后堵頭下支路回水口(11)貫通于后堵頭(102)并連通于泵浦腔體外；后堵頭上支路出水口(10)與泵浦腔上體(115)上面的連接頭入水口(13)連通，連接頭出水口(14)與上冷卻槽入水口(15)連通，上冷卻槽出水口(17)與前右水腔入水口(18)連通，前右水腔出水口(21)通過套在右泵浦燈外面的玻璃管(112)與后右水腔入水口(22)連通，后右水腔出水口(24)與后堵頭上支路回水口(12)連通，后堵頭下支路回水口(12)貫通于下堵頭(102)并連通于泵浦腔體外；后堵頭入水口(7)、后堵頭下支路回水口(11)和后堵頭上支路回水口(12)之間互不連通，前堵頭入水口(1)與前堵頭下支路入水口(4)不連通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大功率激光金屬泵浦腔的水冷方法及裝置，屬于激光技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域。該方法按照工作物質(zhì)、反射面、泵浦燈吸收熱量的多少，確定冷卻水先集中冷卻工作物質(zhì)，從工作物質(zhì)流出的冷卻水分為兩路，使兩路冷卻水同步地冷卻上下反射面，從上下反射面流出的冷卻水再分別冷卻兩泵浦燈，最后流出該冷卻系統(tǒng)。根據(jù)該方法設(shè)計(jì)出一種大功率激光金屬泵浦腔的水冷裝置，本裝置主要包括有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似并可相互配合連接的泵浦腔下體116、泵浦腔上體115，冷卻水從設(shè)置于泵浦腔上體116和泵浦腔下體115的冷卻裝置內(nèi)流動(dòng)，從而對(duì)泵浦腔進(jìn)行冷卻。本發(fā)明主次分明地冷卻工作物質(zhì)、反射面、泵浦源、易于密封，密封強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)H01S3/04GK1905291SQ20061008928
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月15日
發(fā)明者王智勇, 劉學(xué)勝, 武強(qiáng), 蔣毅堅(jiān), 左鐵釧 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)