專利名稱：固體薄片激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及固體薄片激光器，特別是一種固體薄片激光器的結(jié)構(gòu)。 技術(shù)背衆(zhòng)在高平均功率固體激光器的發(fā)展中，激光介質(zhì)的熱效應(yīng)一直是制約提高 激光器輸出的激光能量和光束質(zhì)量的一個(gè)主要因素。對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器， 實(shí)時(shí)冷卻帶來的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)、應(yīng)力雙折射、熱致退偏等不良 效應(yīng)。為了改善和減輕激光介質(zhì)中非均勻的熱分布，可以通過很多途徑。其一采用激光二極管(Laser Diode，簡(jiǎn)稱LD)抽運(yùn)。用LD來代替?zhèn)鹘y(tǒng) 的閃光燈抽運(yùn)固體激光介質(zhì)，可以顯著降低介質(zhì)中的廢熱，并且具有更高的 使用壽命和效率。其二改變激光介質(zhì)的幾何形狀。棒狀增益介質(zhì)在高平均功率運(yùn)轉(zhuǎn)下會(huì)產(chǎn) 生嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)，同時(shí)由于冷卻方式的限制也會(huì)導(dǎo)致激光介質(zhì)內(nèi)外溫度 梯度過大而引起炸裂。而采用板狀、片狀激光介質(zhì)，可以增加被冷卻表面的 面積，介質(zhì)內(nèi)的熱流可近似為一維分布，在很大程度上減輕了熱致效應(yīng)。其三通過優(yōu)化抽運(yùn)及激光發(fā)射方向，使熱梯度與激光傳輸方向一致，可 以減小熱畸變對(duì)光束質(zhì)量的影響，例如在板條激光器中釆用Z形光路，可進(jìn) 一步消除板內(nèi)的圓柱聚焦現(xiàn)象。在上述已有的解決方案中，薄片激光器(一般指口徑/厚度=10 50: 1)由于在降低熱透鏡效應(yīng)和熱致應(yīng)力雙折射方面的優(yōu)異表現(xiàn)，以及易于定標(biāo)放大等優(yōu)點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出較好的技術(shù)途徑。在研制薄片激光器過程中，比較關(guān)鍵的技術(shù)有如何實(shí)現(xiàn)抽運(yùn)光的均勻及對(duì)介質(zhì)薄片內(nèi)部廢熱的有效管理。上述兩方面技術(shù)是實(shí)現(xiàn)熱流均勻分布，降低熱致效應(yīng)，即降低介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力避免其斷裂的關(guān)鍵所在。分析單面冷卻的薄片介質(zhì)允許吸收的最大熱功率，可通過下式計(jì)算得出[1]:
其中R為被冷卻介質(zhì)的熱沖擊參數(shù)，b為安全系數(shù)，S為抽運(yùn)區(qū)面積，l為介質(zhì)的厚度。當(dāng)平均抽運(yùn)功率為P時(shí)，介質(zhì)吸收抽運(yùn)光功率所產(chǎn)生的熱功率為6 =仏7 (2) 其中"》為系統(tǒng)的耦合效率，"a為介質(zhì)對(duì)抽運(yùn)光的吸收效率，"為介質(zhì)的 產(chǎn)熱比，P為抽運(yùn)源輸出的最大平均功率。由式(l和(2)，可以估算薄片介質(zhì)在一定抽運(yùn)條件下產(chǎn)生的熱量及其合理 的熱量控制。對(duì)于薄片介質(zhì)的冷卻，己有的方法是將薄片介質(zhì)焊接在高效冷 卻的熱沉上進(jìn)行散熱的，因此熱沉的散熱能力將是實(shí)現(xiàn)熱量快速疏散的重要 保證。我們知道，在地球上已知的固體物質(zhì)中，金剛石材料在室溫下具有最高 的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的電絕緣性，而且它在電子器件冷卻方面也是一種比較理 想的熱沉材料。這種材料在光波段透明，能夠?qū)崿F(xiàn)與激光介質(zhì)的緊密接觸， 對(duì)激光介質(zhì)吸收抽運(yùn)能量的影響非常小，上述優(yōu)點(diǎn)決定了金剛石材料在薄片 激光器冷卻結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的潛力。H. P. Chou等提出了一種三明治薄片激光器 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過采用金剛石薄片散熱得到了良好的冷卻效果[SPIE， 2004， 5448: 550-560]，王軍榮等人研究了金剛石冷卻方案與其它方案在冷卻側(cè)面 抽運(yùn)激光介質(zhì)條件下的冷卻效果，結(jié)果表明金剛石冷卻方案優(yōu)于藍(lán)寶石、復(fù) 合介質(zhì)等冷卻方案[光學(xué)學(xué)報(bào)，2005， 25 (6): 829-834]。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種固體薄片激光器，本實(shí)用新型固體薄片激 光器結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高平均功率激光輸出下的薄片工作介質(zhì)有效冷卻，可 緩解薄片內(nèi)的溫度梯度，改善其內(nèi)部的應(yīng)力分布，減小薄片介質(zhì)的變形。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種固體薄片激光器，該激光器由多個(gè)模塊組成，其中每個(gè)模塊的構(gòu)成 包括兩片尺寸、性能均相同、平行且間隔放置的左薄片激光介質(zhì)和右薄片
激光介質(zhì)；分別貼合于左薄片激光介質(zhì)內(nèi)側(cè)的第一金剛石熱沉和右薄片激光 介質(zhì)內(nèi)側(cè)的第二金剛石熱沉；由第一金剛石熱沉、第二金剛石熱沉、上端密 封裝置和下端密封裝置一起構(gòu)成冷卻介質(zhì)通道，冷卻介質(zhì)入口在上端密封裝 置上，冷卻介質(zhì)出口在下端密封裝置上，在左薄片激光介質(zhì)和右薄片激光介 質(zhì)的外側(cè)分別設(shè)有平行或呈一定角度入射的右抽運(yùn)源和左抽運(yùn)源。所述的薄片激光介質(zhì)為Yb: YAG晶體或Nd: YAG晶體薄片。所述的冷卻介質(zhì)為水或者氣體。下面采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算的結(jié)果描 述如下。由于所研究對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)和承受載荷具有對(duì)稱性，我們選取左側(cè)薄片 介質(zhì)4的l/4部分，來進(jìn)行溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值仿真(見圖l)。坐標(biāo)系 原點(diǎn)選取為薄片的圓心。假設(shè)抽運(yùn)源發(fā)出的光經(jīng)耦合系統(tǒng)后沿z軸方向入射， 光強(qiáng)在x-y平面上分布均勻。由于被介質(zhì)吸收的抽運(yùn)光能僅有一部分轉(zhuǎn)化為 激光輸出能量，其余大部分能量被介質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)化為熱，其作用可等效為一 個(gè)存在于介質(zhì)內(nèi)部的虛擬內(nèi)熱源^，可表示為^ = a L (e…+ e - 。 (2">) (3)其中a為吸收系數(shù)(m1),。為介質(zhì)吸收抽運(yùn)光功率而產(chǎn)生的熱功率(W)， ^ 為有效抽運(yùn)面積(m2)， B為單個(gè)薄片的厚度，因此仏在薄片的厚度方向上是一 個(gè)隨著坐標(biāo)z變化的變量，模擬的結(jié)果單個(gè)薄片內(nèi)熱源仏的分布示意圖， 見圖2。將一定厚度的金剛石粘接于兩個(gè)平行薄片激光介質(zhì)的內(nèi)側(cè)，兩塊金剛石 片熱沉之間形成一定尺寸的通道。介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的熱量可由相鄰的金剛石傳導(dǎo) 帶走，而流通在兩塊金剛石片之間的冷卻介質(zhì)5可同時(shí)疏散金剛石傳導(dǎo)出的 熱量。圖3為由激光二極管陣列抽運(yùn)的Nd: YAG薄片沿厚度方向的溫度分布， 其中曲線1對(duì)應(yīng)于對(duì)非抽運(yùn)面直接進(jìn)行水冷時(shí)的情況，曲線2對(duì)應(yīng)于采用本 實(shí)用新型冷卻方法的情況。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，采用本實(shí)用新型的冷卻結(jié) 構(gòu)和冷卻方法，可以有效降低薄片介質(zhì)的溫度，同時(shí)，使介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力分布比較均勻。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于采用雙薄片激光介質(zhì)及雙金剛石片熱沉，冷卻 介質(zhì)在金剛石熱沉構(gòu)成的冷卻通道內(nèi)流通。金剛石可以有效傳導(dǎo)出薄片激光 介質(zhì)內(nèi)的廢熱，而其側(cè)面通道內(nèi)的冷卻介質(zhì)能及時(shí)疏散金剛石傳導(dǎo)出的熱量， 具有較高的換熱效率。同時(shí)，金剛石具有比激光介質(zhì)低的熱膨脹系數(shù)，與銅 等熱膨脹系數(shù)比激光介質(zhì)高的熱沉相比較，有利于減輕激光介質(zhì)的變形。此 外采用本實(shí)用新型的雙薄片激光介質(zhì)及金剛石片熱沉的結(jié)構(gòu)，在獲得良好的 冷卻效果同時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)模塊化及功率的定標(biāo)放大。


圖1為采用有限元分析軟件對(duì)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行 數(shù)值仿真的建模示意圖圖2為本實(shí)用新型單個(gè)薄片內(nèi)熱源的分布示意圖 圖3為由激光二極管陣列抽運(yùn)的Nd: YAG薄片沿厚度方向的溫度分布 圖4為本實(shí)用新型雙薄片激光介質(zhì)和金剛石熱沉固體激光器結(jié)構(gòu)的總體 示意簡(jiǎn)圖圖5為本實(shí)用新型冷卻結(jié)構(gòu)實(shí)施例的部分剖視圖(Y-Z剖面) 圖中1為左薄片激光介質(zhì)的外側(cè)面，2為第一金剛石熱沉，3為第一金 剛石熱沉的內(nèi)冷卻表面，4為左薄片激光介質(zhì)，5為冷卻介質(zhì)，6為第二金剛 石熱沉，7為右薄片激光介質(zhì)，8為右抽運(yùn)源、9為左抽運(yùn)源，IO為上端密封 裝置，ll為冷卻介質(zhì)入口， 12為冷卻介質(zhì)通道，13為下端密封裝置，14為 冷卻介質(zhì)出口。具體實(shí)麄方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型方法作詳細(xì)說明。參見圖4和圖5，其中圖4是本實(shí)用新型雙薄片激光介質(zhì)和金剛石熱沉固體激光器結(jié)構(gòu)的總體示意簡(jiǎn)圖，圖5為本實(shí)用新型冷卻結(jié)構(gòu)實(shí)施例的部分剖 視示意圖。由圖4可知，本實(shí)用新型固體薄片激光器，該激光器由多個(gè)模塊 組成，其中每個(gè)模塊的構(gòu)成包括1) 兩片尺寸、性能均相同、平行且間隔放置的左薄片激光介質(zhì)4和右薄 片激光介質(zhì)7。可以選擇Yb: YAG晶體或Nd: YAG晶體薄片，或者為其它適合 作為薄片激光器使用的激光介質(zhì)。在左薄片激光介質(zhì)4、右薄片激光介質(zhì)7的 外側(cè)分別為平行或呈一定角度入射的右抽運(yùn)源8和左抽運(yùn)源9。2) 兩片分別結(jié)合于左側(cè)薄片激光介質(zhì)4內(nèi)側(cè)的第一金剛石熱沉2和右薄 片激光介質(zhì)7內(nèi)側(cè)的第二金剛石熱沉6。由第一金剛石熱沉2與第二金剛石熱 沉6，及上端密封裝置IO、下端密封裝置13—起構(gòu)成冷卻介質(zhì)5的通道12。3) 借助上端密封裝置IO和下端密封裝置13，并將上述的激光介質(zhì)和金剛 石裝配成一個(gè)模塊，冷卻介質(zhì)入口 11在上端密封裝置10上，冷卻介質(zhì)出口 14在下端密封裝置13上。在本實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為所述的薄片激光介質(zhì)4和7為013mrnX lmm的Nd: YAG薄片，金剛石熱沉2、 6尺寸為O14mmX0. 5mm，冷卻通道寬 度為lram，冷卻介質(zhì)5為15。C的水，流速為7. 5m/s，抽運(yùn)源8和抽運(yùn)源9分 別為平均輸出功率約450W的激光二極管陣列。并假設(shè)有效抽運(yùn)口徑為O13mm， 環(huán)境溫度為15'C。通過選取整個(gè)結(jié)構(gòu)的1/4作為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件ANSYS的 熱-結(jié)構(gòu)耦合模塊進(jìn)行了仿真模擬，得到薄片介質(zhì)及金剛石熱沉內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度 場(chǎng)分布。由結(jié)果可知，本實(shí)施例的激光器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)下，薄片激光介質(zhì)內(nèi)的 溫差約為16'C，薄片激光介質(zhì)整體的最高溫升約為44t:。由于金剛石具有極 佳的導(dǎo)熱性，因此其內(nèi)部保持均勻的溫度分布。圖3為未采用本實(shí)用新型冷 卻結(jié)構(gòu)與采用本實(shí)用新型冷卻結(jié)構(gòu)的溫度分布曲線，其中曲線1為未采用本 實(shí)用新型冷卻結(jié)構(gòu)的溫度分布曲線，而曲線2為采用本實(shí)用新型冷卻結(jié)構(gòu)的 溫度分布曲線，可以看出，本實(shí)用新型的冷卻結(jié)構(gòu)具有更好的冷卻效果。同 時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明，本實(shí)施例中薄片激光介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)分布均勻程度得以改善， 變形也有所減小。
權(quán)利要求1、一種固體薄片激光器，其特征在于該激光器由多個(gè)模塊組成，其中每個(gè)模塊的構(gòu)成包括兩片尺寸、性能均相同、平行且間隔放置的左薄片激光介質(zhì)(4)和右薄片激光介質(zhì)(7)；分別貼合于左薄片激光介質(zhì)(4)內(nèi)側(cè)的第一金剛石熱沉(2)和右薄片激光介質(zhì)(7)內(nèi)側(cè)的第二金剛石熱沉(6)；由第一金剛石熱沉(2)、第二金剛石熱沉(6)、上端密封裝置(10)和下端密封裝置(13)一起構(gòu)成冷卻介質(zhì)通道(12)，冷卻介質(zhì)入口(11)在上端密封裝置(10)上，冷卻介質(zhì)出口(14)在下端密封裝置(13)上，在左薄片激光介質(zhì)(4)和右薄片激光介質(zhì)(7)的外側(cè)分別設(shè)有平行或呈一定角度入射的右抽運(yùn)源(8)和左抽運(yùn)源(9)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體薄片激光器，其特征在于所述的薄片激光介質(zhì)為 Yb: YAG晶體或Nd: YAG晶體薄片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的固體薄片激光器，其特征在于所述的冷卻介質(zhì)為水或 者氣體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的固體薄片激光器，其特征在于所述的抽運(yùn) 源為激光二極管陣列。
專利摘要一種固體薄片激光器，該激光器由多個(gè)模塊組成，其中每個(gè)模塊由兩個(gè)平行放置的增益介質(zhì)薄片構(gòu)成，以一定距離間隔放置，在每個(gè)模塊內(nèi)部有冷卻結(jié)構(gòu)，抽運(yùn)光束(半導(dǎo)體抽運(yùn)源)由模塊的兩側(cè)以平行或呈一定角度入射到薄片介質(zhì)的表面。在左邊介質(zhì)薄片的右側(cè)面和右邊薄片的左側(cè)面分別附著兩個(gè)金剛石熱沉，在兩個(gè)金剛石熱沉之間構(gòu)成一個(gè)液體冷卻通道，以便對(duì)熱沉進(jìn)行冷卻。本實(shí)用新型的冷卻結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率薄片激光介質(zhì)的冷卻，在改善其內(nèi)部的應(yīng)力分布同時(shí)，有效減小介質(zhì)薄片的變形。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK201008074SQ200620048889
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者侯立群, 劉志剛, 周旭升, 尹憲華, 朱健強(qiáng), 祖繼鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所