專利名稱：一種液體導(dǎo)引泵浦光束的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體引導(dǎo)光束的方法及裝置，可以用于激光諧振腔和激光放大器，屬于光學(xué)與激光光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在固體激光器與光纖激光器領(lǐng)域，高功率固體激光器與光纖激光器工作時(shí)，需要向增益介質(zhì)內(nèi)注入大量泵浦光。
在光纖激光器的現(xiàn)有技術(shù)中，如圖1所示，包括泵浦源1，光學(xué)系統(tǒng)2，光纖3和熱沉4。泵浦光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)2壓縮匯聚后，直接入射到光纖3的端面并被光纖吸收，光纖端部熱量分布集中，溫度高，必須進(jìn)行冷卻，否則會(huì)導(dǎo)致光纖涂覆層燃燒，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成光纖端部炸裂。在高功率光纖激光器和高功率光纖放大器中光纖端部的冷卻尤為重要?，F(xiàn)有技術(shù)中常用的冷卻方法是將光纖端部放置在金屬熱沉4中，光纖端部的熱量通過(guò)接觸傳導(dǎo)從熱沉中散出。由于這種散熱方式中，熱沉只與光纖的側(cè)面接觸，只能對(duì)光纖側(cè)面進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻，而光纖端面的熱量最為集中，因此散熱效果不佳；同時(shí)側(cè)面冷卻還使得光纖產(chǎn)生了非常不均勻的溫度分布，中心熱邊緣冷，使得端面上形成很大的熱梯度，其產(chǎn)生的較大的熱效應(yīng)導(dǎo)致激光束的畸變，降低光束質(zhì)量；光纖較冷的外部制約著較熱的內(nèi)部膨脹，在纖內(nèi)產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光纖產(chǎn)生裂紋。此外，由于光纖直徑微小(小于1mm)，因此，為確保散熱，必須使熱沉與光纖側(cè)面緊密接觸而又不能太緊使得光纖產(chǎn)生應(yīng)力，因此熱沉的加工精度必須很高。
在固體激光器的現(xiàn)有技術(shù)中，泵浦光束直接或經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后入射到固體激光介質(zhì)的端面、側(cè)面或其他泵浦面。入射端面熱量分布集中，溫度高，必須對(duì)固體激光介質(zhì)進(jìn)行冷卻，否則激光介質(zhì)激活區(qū)內(nèi)溫度差造成的熱效應(yīng)會(huì)使得激光器工作不穩(wěn)定，光束質(zhì)量下降，溫度差造成的熱應(yīng)力會(huì)使得晶體產(chǎn)生形變，過(guò)熱易導(dǎo)致端面膜層容易燒毀，嚴(yán)重時(shí)固體介質(zhì)會(huì)炸裂，因此高效率的散熱和熱效應(yīng)的降低通常是設(shè)計(jì)高平均功率系統(tǒng)時(shí)考慮的主要因素?，F(xiàn)有技術(shù)中常用的冷卻方法有液冷和傳導(dǎo)冷卻兩種，都是通過(guò)對(duì)晶體側(cè)面進(jìn)行冷卻，不能解決晶體端面及中心過(guò)熱問題，因而散熱效果不佳；同時(shí)由于中心熱邊緣冷，使得晶體的溫度分布更不均勻，熱效應(yīng)和熱應(yīng)力不能得到有效降低。如圖2所示，5是晶體，傳導(dǎo)冷卻是用金屬熱沉4與固體激光介質(zhì)緊密接觸，通過(guò)接觸傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)散熱，由于這種散熱方式中，熱沉與固體激光介質(zhì)的冷卻結(jié)合面質(zhì)量不是很高(尤其是曲面)，因此散熱效果不佳，為確保散熱，熱沉的加工精度也必須很高。如圖3所示，液冷由于O型密封圈17要覆蓋一定的體積，所以冷卻液6不可能充分冷卻晶體末端的幾毫米長(zhǎng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種液體引導(dǎo)泵浦光束的方法及裝置，克服現(xiàn)有技術(shù)中被泵浦端面的散熱問題，采用液體引導(dǎo)泵浦光束的方法與裝置，實(shí)現(xiàn)被泵浦端面的良好散熱，有效地改善端部的熱梯度，減小熱效應(yīng)和熱應(yīng)力，使得原金屬熱沉只需主要起夾持作用，解決了泵浦激光注入與機(jī)械夾持結(jié)構(gòu)的矛盾，降低了夾持結(jié)構(gòu)的加工精度要求，從而解決了固體激光器和光纖激光器中的高功率泵浦問題，確保激光器系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明的特征之一在于，含有泵浦光源、光學(xué)耦合裝置8、液體導(dǎo)引裝置9和光纖3，其中光學(xué)耦合裝置8，接受泵浦光源發(fā)出的泵浦光；液體噴嘴10，經(jīng)過(guò)光學(xué)耦合裝置8耦合的泵浦光束通過(guò)液體噴嘴10前端的透明窗口被耦合到所述的液體噴嘴10噴出的液柱15中；冷卻液收集器11，一端是開口狀，該冷卻液收集器的中心線對(duì)準(zhǔn)液體噴嘴10的中心線，而該冷卻液收集器11的出口端插入了光纖3的輸入端，由液體噴嘴10噴出的液柱15的中心線精確對(duì)準(zhǔn)光纖3的中心線；回液管12，進(jìn)液端與冷卻液收集器11的下底部連通；散熱器14和循環(huán)泵13，相互串聯(lián)，該散熱器14的進(jìn)液口與所述回液管12的出液口相連，而循環(huán)泵13的輸出端經(jīng)回液管12與開在所述的液體噴嘴10下端的進(jìn)液口連通；所述液體噴嘴10、冷卻液收集器11、回液管12、散熱器14和循環(huán)泵13串接構(gòu)成的液柱15的閉合環(huán)路形成了一個(gè)液體導(dǎo)引裝置9。
所述的光纖3可用一個(gè)整個(gè)浸在冷卻液收集器11中的激光晶體16代替。
所述的液體噴嘴10產(chǎn)生的液柱15的長(zhǎng)度為液柱15直徑的1倍至10000倍之間。
本發(fā)明的特征之二在于，含有泵浦光源、光學(xué)耦合裝置8、液體導(dǎo)引裝置9和光纖3，其中光纖3，有一個(gè)激光輸出口；液體導(dǎo)引裝置9含有冷卻液腔17、回液管12、散熱器14和循環(huán)泵13，其中冷卻液腔17，腔體內(nèi)充滿冷卻液6，光纖3輸入口所在的一端穿過(guò)被O型密封圈7封閉的冷卻液腔17的沿軸向一側(cè)進(jìn)入腔體內(nèi)，并固定在腔體內(nèi)壁上，冷卻液腔17的沿軸向的另一側(cè)與光學(xué)耦合裝置8的輸出端口相連，泵浦光源輸出的泵浦光經(jīng)過(guò)光學(xué)耦合裝置8后被耦合到腔體內(nèi)的冷卻液6中，再沿著光纖3的軸向中心線入射到光纖3輸入口的端口上，進(jìn)入光纖3；散熱器14和循環(huán)泵13，相互串聯(lián)，散熱器14通過(guò)回液管12與冷卻液腔17靠近激光輸出口一側(cè)的底部連通，循環(huán)泵13通過(guò)回液管12與冷卻液腔17靠近光纖輸入口一側(cè)的底部連通；所述冷卻液腔17、散熱器14和循環(huán)泵13串接構(gòu)成的冷卻液6的閉合回路形成了一個(gè)液體導(dǎo)引裝置。
所述的光纖3可用一個(gè)整個(gè)浸在冷卻液腔17中的激光晶體16代替。
本發(fā)明提出的液體引導(dǎo)泵浦光束的方法及裝置，由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用液體對(duì)端面進(jìn)行冷卻，由于液體導(dǎo)熱性能好，因此能夠迅速帶走被泵浦端面的熱量，冷卻效果好，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的散熱難題；由于對(duì)整個(gè)端面進(jìn)行冷卻，改善了中間熱邊緣冷的問題，減小了熱梯度，因而降低了熱效應(yīng)和熱應(yīng)力，改善了光束質(zhì)量，減小了端部的形變；由于采用液體散熱良好，因此對(duì)被泵浦介質(zhì)的機(jī)械夾持結(jié)構(gòu)的精度要求降低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)裝調(diào)更為容易；冷卻液可以起到折射率匹配的作用，減少泵浦光在端面上的反射，還可以起到濾波片的作用，消除不需要的泵浦輻射。本發(fā)明的冷卻方法和裝置簡(jiǎn)單，實(shí)施效果顯著，解決了固體激光器和光纖激光器中的高功率泵浦問題，可以使激光器的輸出平均功率得到進(jìn)一步的提高，確保激光器系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。在諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中端面泵浦光纖激光器的泵浦與散熱裝置示意圖。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)中固體激光器的傳導(dǎo)冷卻裝置示意圖。
圖3為現(xiàn)有技術(shù)中固體激光器的液冷裝置示意圖。
圖4為本發(fā)明所述的液體導(dǎo)引泵浦光束的方法及裝置的第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明所述的液體導(dǎo)引泵浦光束的方法及裝置的第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明所述的液體導(dǎo)引泵浦光束的方法及裝置的第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明所述的液體導(dǎo)引泵浦光束的方法及裝置的第四實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為本發(fā)明所述的液體導(dǎo)引泵浦光束的方法及裝置的第五實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明的第一實(shí)施例如圖4所示，本發(fā)明裝置包括耦合系統(tǒng)8，液體導(dǎo)引裝置9，以及用于輸出的光纖3。液體導(dǎo)引裝置9由特制的液體噴嘴10，冷卻液收集器11，回液管12，循環(huán)泵13和散熱器14組成。如圖4所示，本發(fā)明的特點(diǎn)是經(jīng)過(guò)耦合系統(tǒng)8的泵浦光通過(guò)前端帶有一透明窗口的特制液體噴嘴10后被耦合進(jìn)噴嘴噴出的液柱15中，液柱15的中心線精確對(duì)準(zhǔn)光纖3的中心線，將一呈管狀的冷卻液收集器11的后端密封套設(shè)在光纖3上，冷卻液收集器11的前端進(jìn)液口探出光纖3的輸入端，且呈開放狀對(duì)準(zhǔn)液體噴嘴10，在冷卻液收集器11與液體噴嘴10進(jìn)液端之間設(shè)置一回液管12，在回液管12上設(shè)置一循環(huán)泵13和散熱器14，使整個(gè)冷卻系統(tǒng)形成一冷卻循環(huán)回路。本發(fā)明裝置工作時(shí)，從液體噴嘴10噴出的壓力液體，形成一段液體柱15，泵浦光在液體柱15內(nèi)全內(nèi)反射被導(dǎo)引入射到光纖3的輸入端，由光纖3繼續(xù)傳輸，噴射到光纖3輸入端的液體由冷卻液收集器11收集，并通過(guò)散熱器14進(jìn)行冷卻，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵13回到液體噴嘴10的輸入端繼續(xù)循環(huán)使用。液體噴嘴10與光纖3輸入端之間的距離也即穩(wěn)定的液體柱15的有效長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)液柱直徑的10000倍，可根據(jù)實(shí)際情況取適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。該實(shí)施例中，通過(guò)液體柱15導(dǎo)引泵浦光束入射到光纖3端面的過(guò)程中，液體柱對(duì)泵浦光束波長(zhǎng)的折射率越高，液體柱導(dǎo)引泵浦光能力越強(qiáng)；液體柱對(duì)泵浦光束波長(zhǎng)的吸收系數(shù)越小，液體柱吸收泵浦光的功率越少，可導(dǎo)引的功率越高；液體柱的比熱越大，液體柱對(duì)光纖3端部的冷卻效果越好。因此，冷卻液回路中的液體可以采用具有較高折射率(至少大于1)、對(duì)泵浦波長(zhǎng)吸收小，且冷卻作用好的液體，比如水。在此實(shí)施例中，如果泵浦光為光束質(zhì)量足夠好的激光或其他調(diào)教好的光束則可以不經(jīng)耦合系統(tǒng)8而直接入射噴嘴10直接耦合進(jìn)液柱15中。
本發(fā)明的第二實(shí)施例如圖5所示，本發(fā)明裝置包括第一實(shí)施例所述的耦合系統(tǒng)8，液體導(dǎo)引裝置9，以及光纖耦合器中的支路光纖3。裝置設(shè)置與工作原理與第一實(shí)施例所述相同。
本發(fā)明的第三實(shí)施例如圖6所示，本發(fā)明裝置包括第一實(shí)施例所述的耦合系統(tǒng)8，液體導(dǎo)引裝置9，以及激光晶體3。裝置設(shè)置與工作原理與第一實(shí)施例所述相同。此外，整個(gè)激光晶體浸沒在冷卻液收集器11中由冷卻液6實(shí)現(xiàn)液冷，使得晶體5的側(cè)面也可以得到簡(jiǎn)單有效的冷卻。
本發(fā)明的第四實(shí)施例如圖7所示，本發(fā)明裝置包括耦合系統(tǒng)8，液體導(dǎo)引裝置9，以及激光晶體16。液體導(dǎo)引裝置9由回液管12，循環(huán)泵13，散熱器14和冷卻液腔17組成。本發(fā)明的特點(diǎn)是耦合系統(tǒng)8與冷卻液腔17以及晶體16共同構(gòu)成一密閉腔，里面充滿了冷卻液6，在冷卻液腔17上設(shè)置了回液管12，在回液管12上設(shè)置一循環(huán)泵13和散熱器14，使整個(gè)冷卻系統(tǒng)形成一冷卻循環(huán)回路。泵浦光經(jīng)過(guò)耦合系統(tǒng)8入射到晶體16端面被晶體吸收。幾乎整個(gè)激光晶體16都浸沒在冷卻液6中因而可以得到充分有效的冷卻。
本發(fā)明的第五實(shí)施例如圖8所示，本發(fā)明裝置包括耦合系統(tǒng)8，液體導(dǎo)引裝置9，以及光纖3。液體導(dǎo)引裝置9如第四實(shí)施例所述由回液管12，循環(huán)泵13，散熱器14和冷卻液腔17組成。本發(fā)明的特點(diǎn)是耦合系統(tǒng)8與冷卻液腔17共同構(gòu)成一密閉腔，里面充滿了冷卻液6，在冷卻液腔17上設(shè)置了回液管12，在回液管12上設(shè)置一循環(huán)泵13和散熱器14，使整個(gè)冷卻系統(tǒng)形成一冷卻循環(huán)回路。泵浦光經(jīng)過(guò)耦合系統(tǒng)8入射到光纖端面被光纖吸收。光纖端部都浸沒在冷卻液中因而可以得到充分有效的冷卻。
權(quán)利要求
1.液體導(dǎo)引泵浦光束的系統(tǒng)，其特征在于含有泵浦光源、光學(xué)耦合裝置(8)、液體導(dǎo)引裝置(9)和光纖(3)，其中光學(xué)耦合裝置(8)，接受泵浦光源發(fā)出的泵浦光；液體噴嘴(10)，經(jīng)過(guò)光學(xué)耦合裝置(8)耦合的泵浦光束通過(guò)液體噴嘴(10)前端的透明窗口被耦合到所述的液體噴嘴(10)噴出的液柱(15)中；冷卻液收集器(11)，一端是開口狀，該冷卻液收集器的中心線對(duì)準(zhǔn)液體噴嘴(10)的中心線，而該冷卻液收集器(11)的出口端插入了光纖(3)的輸入端，由液體噴嘴(10)噴出的液柱(15)的中心線精確對(duì)準(zhǔn)光纖(3)的中心線；回液管(12)，進(jìn)液端與冷卻液收集器(11)的下底部連通；散熱器(14)和循環(huán)泵(13)，相互串聯(lián)，該散熱器(14)的進(jìn)液口與所述回液管(12)的出液口相連，而循環(huán)泵(13)的輸出端經(jīng)回液管(12)與開在所述的液體噴嘴(10)下端的進(jìn)液口連通；所述液體噴嘴(10)、冷卻液收集器(11)、回液管(12)、散熱器(14)和循環(huán)泵(13)串接構(gòu)成的液柱(15)的閉合環(huán)路形成了一個(gè)液體導(dǎo)引裝置(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體導(dǎo)引泵浦光束的系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖(3)可用一個(gè)整個(gè)浸在冷卻液收集器(11)中的激光晶體(16)代替。
3.液體導(dǎo)引泵浦光束的系統(tǒng)，其特征在于含有泵浦光源、光學(xué)耦合裝置(8)、液體導(dǎo)引裝置(9)和光纖(3)，其中光纖(3)，有一個(gè)激光輸出口；液體導(dǎo)引裝置(9)含有冷卻液腔(17)、回液管(12)、散熱器(14)和循環(huán)泵(13)，其中冷卻液腔(17)，腔體內(nèi)充滿冷卻液(6)，光纖(3)輸入口所在的一端穿過(guò)被O型密封圈(7)封閉的冷卻液腔(17)的沿軸向一側(cè)進(jìn)入腔體內(nèi)，并固定在腔體內(nèi)壁上，冷卻液腔(17)的沿軸向的另一側(cè)與光學(xué)耦合裝置(8)的輸出端口相連，泵浦光源輸出的泵浦光經(jīng)過(guò)光學(xué)耦合裝置(8)后被耦合到腔體內(nèi)的冷卻液(6)中，再沿著光纖(3)的軸向中心線入射到光纖(3)輸入口的端口上，進(jìn)入光纖(3)；散熱器(14)和循環(huán)泵(13)，相互串聯(lián)，散熱器(14)通過(guò)回液管(12)與冷卻液腔(17)靠近激光輸出口一側(cè)的底部連通，循環(huán)泵(13)通過(guò)回液管(12)與冷卻液腔(17)靠近光纖輸入口一側(cè)的底部連通；所述冷卻液腔(17)、散熱器(14)和循環(huán)泵(13)串接構(gòu)成的冷卻液(6)的閉合回路形成了一個(gè)液體導(dǎo)引裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液體導(dǎo)引泵浦光束的系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖(3)可用一個(gè)整個(gè)浸在冷卻液腔(17)中的激光晶體(16)代替。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體導(dǎo)引泵浦光束的系統(tǒng)，其特征在于所述的液體噴嘴(10)產(chǎn)生的液柱(15)的長(zhǎng)度為液柱(15)直徑的1倍至10000倍之間。
全文摘要
一種液體導(dǎo)引泵浦光束的方法及裝置，屬于光學(xué)與激光光電子技術(shù)領(lǐng)域。它含有泵浦光源、光學(xué)耦合裝置、液體導(dǎo)引裝置和光纖。其中光學(xué)耦合裝置接受泵浦光源發(fā)出的泵浦光；液體噴嘴，經(jīng)過(guò)光學(xué)耦合裝置耦合的泵浦光束被耦合到液體噴嘴噴出的液柱中；冷卻液收集器的中心線對(duì)準(zhǔn)液體噴嘴的中心線；回液管，進(jìn)液端與冷卻液收集器連通；散熱器和循環(huán)泵，相互串聯(lián)，該散熱器的進(jìn)液口與回液管的出液口相連，而循環(huán)泵的輸出端與液體噴嘴下端連通；液體噴嘴、冷卻液收集器、回液管、散熱器和循環(huán)泵串接形成了一個(gè)液體導(dǎo)引裝置。本發(fā)明解決了固體激光器和光纖激光器中的高功率泵浦問題，可以使激光器的輸出平均功率得到提高，確保激光器系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號(hào)H01S3/042GK101043118SQ20071008667
公開日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者鞏馬理, 黃磊, 黃云火, 柳強(qiáng), 閆平, 李晨 申請(qǐng)人:清華大學(xué)