專利名稱：一種激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光學(xué)諧振腔領(lǐng)域，具體涉及一種激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷 卻裝置，主要用于激光功率高、傳輸距離遠(yuǎn)、不能水冷等場(chǎng)合的激光同軸非穩(wěn)腔輸出窗口冷 卻。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來(lái)，正支望遠(yuǎn)鏡式虛共焦非穩(wěn)腔由于具有模體積大，能量分布均勻，高損 耗，橫模鑒別能力強(qiáng)和近乎理想的平面波輸出等巨大的優(yōu)點(diǎn)，在高功率激光器上得到了廣 泛的應(yīng)用。由于正支虛共焦非穩(wěn)腔輸出光束為環(huán)狀光束，因此存在著高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，常用的 流體冷卻腔鏡方式存在著流體流道暴露在通光口徑之中的問(wèn)題，傳統(tǒng)的高功率激光器諧振 腔輸出窗口采用的解決方案是在凸反射鏡的前方光路上以45°斜角插入一片環(huán)狀的刮刀 鏡，獲得與光軸正交的側(cè)向輸出。然而激光對(duì)于刮刀鏡是45°的斜入射而非正入射，結(jié)果造 成所需的膜層反射率要更高于正入射。鑒于當(dāng)前的鍍膜技術(shù)，進(jìn)一步提高膜層的反射率已 經(jīng)變得非常困難，因此必須要從冷卻方式上有所創(chuàng)新，去掉熱變形極為嚴(yán)重的45°刮刀鏡， 簡(jiǎn)化激光器的結(jié)構(gòu)，提高反射鏡本身的散熱能力，才有可能最終解決限制進(jìn)一步提高激光 器輸出功率的技術(shù)難題。同軸非穩(wěn)腔輸出窗口將反射鏡與晶體輸出窗口緊密結(jié)合為一體， 去掉了 45°刮刀鏡這一熱吸收變形的重要因素，簡(jiǎn)化了激光器結(jié)構(gòu)，又獲得了理想的同軸 輸出光束。同軸非穩(wěn)腔激光器高能運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，位于輸出窗口中心部分的凸鏡會(huì)吸收部分激光能 量產(chǎn)生溫升和熱畸變，這不僅引起環(huán)形輸出窗口的熱畸變產(chǎn)生相差，更會(huì)導(dǎo)致凸鏡熱變形 后鏡面形狀偏離設(shè)計(jì)面型，輸出光束質(zhì)量變差。隨著激光功率越來(lái)越高，這個(gè)問(wèn)題越來(lái)越突 出。對(duì)于脈沖激光，由于激光器的平均功率越來(lái)越高，單脈沖能量越來(lái)越大，激光窗口凸鏡 短時(shí)間內(nèi)承受的熱也越來(lái)越大，產(chǎn)生的不均勻熱變形和相位畸變更為嚴(yán)重。因此，減少窗口 凸鏡的不均勻熱變形是高功率激光技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。由于激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的凸鏡被環(huán)形強(qiáng)激光包圍，對(duì)凸鏡的主動(dòng)冷卻非 常困難。對(duì)于這種暴露在通光口徑之中的腔鏡冷卻問(wèn)題目前主要有三種技術(shù)途徑自然冷 卻方式；對(duì)鏡面進(jìn)行主動(dòng)吹風(fēng)冷卻；采用相變制冷方式對(duì)鏡面進(jìn)行冷卻。自然冷卻方式采用將環(huán)形輸出光中央的凸鏡與外部散熱片相連，通過(guò)散熱片間空 氣的對(duì)流來(lái)冷卻凸鏡。該方法簡(jiǎn)單易行，不需要額外的冷卻器件，但換熱效果有限，僅適用 于功率不大的激光器。主動(dòng)吹風(fēng)方式一般通過(guò)氣體壓差的方式將冷卻氣體吹反射鏡的表面，帶走反射鏡 表面的熱量，達(dá)到冷卻的目的。耿玉民等人設(shè)計(jì)了一種在高功率氣體激光器密封循環(huán)氣體 內(nèi)的吹風(fēng)裝置，將冷卻了的放電工作介質(zhì)吹向反射鏡或輸出窗口的薄膜表面，以達(dá)到鏡面 冷卻的目的(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00810051545.X)，該方法可用于高功率TEA C02激光器。另 外一種輔助氣體冷卻方式是通過(guò)輔助氣體管路將冷卻氣體沿透鏡座切向方向?qū)胪哥R表 面，在透鏡表面形成渦流，達(dá)到對(duì)透鏡中心冷卻的目的(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1233062. 7)。一般的主動(dòng)吹風(fēng)方式的冷卻氣體采用室溫大氣或?yàn)闅怏w配備專用冷卻系統(tǒng)，室溫大氣的冷卻 效果不太理想，而對(duì)氣體冷卻則需要添加專用的冷卻系統(tǒng)，管道連接也相對(duì)復(fù)雜。1991年，美國(guó)技術(shù)公司的John Bluege和Lake Park等人發(fā)明了“固-液相變冷 卻鏡”(US5076348)。該發(fā)明采用了超薄鏡結(jié)構(gòu)，但基體材料不是銅，而是光學(xué)加工性能優(yōu) 良的硅；也采用了主動(dòng)冷卻技術(shù)，但不需附加冷卻系統(tǒng)，僅僅依靠?jī)?chǔ)存于鏡腔內(nèi)相變材料的 相變吸熱過(guò)程達(dá)到冷卻目的。他們研制的相變致冷硅鏡，鏡體尺寸為100mmX 100mm,鏡面 厚度僅1. 5mm,當(dāng)鏡面反射率為99. 9%時(shí)，在1MW強(qiáng)激光輻射下，鏡面熱變形量為0. 05 u m, 一次連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)47s，基本上能滿足百萬(wàn)瓦級(jí)氧碘化學(xué)激光器對(duì)全反腔鏡的技術(shù)要 求。程祖海等人也相繼發(fā)明了“相變致冷超薄多層鏡”，“相變致冷窗口”(中國(guó)發(fā)明專利 ZL95124931. 2，ZL98109199. X)，其原理都是采用物質(zhì)相變吸熱而降低鏡面和窗口的溫升。 通常相變物質(zhì)采用相變點(diǎn)在25 30°C的物質(zhì)，如石蠟、金屬稼等。該類鏡子在強(qiáng)激光作用 下已顯示出如下問(wèn)題相變物質(zhì)的溫度是一定的，難以適應(yīng)多變的環(huán)境氣溫；相變物質(zhì)的 導(dǎo)熱不夠快，當(dāng)緊挨鏡體固體基體邊沿的相變物質(zhì)熔化后，離基體較遠(yuǎn)的相變物質(zhì)熔化較 慢，難以滿足高功率激光特別是脈寬越來(lái)越窄的高功率脈沖激光的要求；為了存儲(chǔ)相變物 質(zhì)，通常是在基體材料內(nèi)激光輻照的背面打孔或者切槽來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于加工工藝的限制，相變 物質(zhì)的存量有限，無(wú)法滿足越來(lái)越高的激光功率和越來(lái)越長(zhǎng)的激光作用時(shí)間。渦流管現(xiàn)象是1930年由法國(guó)物理學(xué)家喬治.朗格發(fā)現(xiàn)。渦流管工作原理是高速的 氣流沿切線方向進(jìn)入渦流室，便在渦流室的周邊部分形成自由渦流，其旋轉(zhuǎn)質(zhì)量角速度在 渦流室邊緣部分較小，而接近軸心部分則越來(lái)越大，于是在渦流室中沿半徑方向形成了不 同角速度的氣流層。由于氣流層之間的摩擦，內(nèi)層的角速度要降低而外層的角速度要提高， 因而內(nèi)層氣流便將一部分動(dòng)能傳給外層氣流。渦流室中心部分的氣體當(dāng)經(jīng)孔板流出時(shí)便具 有了較低的溫度；而邊緣部分的熱氣體當(dāng)流經(jīng)熱端管子時(shí)，由于摩擦的存在，使動(dòng)能又轉(zhuǎn)化 為熱能，因而，經(jīng)控制閥流出就有了較高的溫度。渦流管制冷具有設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，使用 靈活，對(duì)氣體純度無(wú)特殊要求，可采用常用的易得氣體，如氮?dú)?、二氮化碳等氣體作工質(zhì)。冷 卻氣體溫度和流量可通過(guò)渦流管進(jìn)氣壓力和位于熱端的溫度控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻裝置，該裝置采用 渦流管輸出的冷卻氣體對(duì)激光輸出窗口進(jìn)行強(qiáng)冷卻，以帶走輸出窗口吸收的激光能量，從 而抑制窗口的溫升和變形。該冷卻裝置特別適合于由于光路的限制而無(wú)法進(jìn)行水冷的大功 率光學(xué)器件，減小激光腔鏡特別是激光輸出窗口的熱變形。采用的具體技術(shù)方案如下一種冷卻裝置，用于對(duì)激光器的同軸非穩(wěn)腔輸出窗口進(jìn)行冷卻，該冷卻裝置包括 高速氣流產(chǎn)生器、連接管、渦流管、氣流管和窗口固定裝置，該窗口固定裝置具有環(huán)形槽，多 個(gè)節(jié)流孔均布于該環(huán)形槽內(nèi)，所述高速氣流產(chǎn)生器產(chǎn)生的氣流通過(guò)連接管輸入渦流管，氣 流在渦流管中一部分轉(zhuǎn)化為冷卻氣流，該冷卻氣流經(jīng)過(guò)氣流管和環(huán)形槽內(nèi)的節(jié)流孔均勻噴 射到所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口上，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的渦流管包括進(jìn)氣口、渦流室、冷卻氣體出口和熱 氣體出口，所述高速氣流產(chǎn)生器產(chǎn)生的氣流通過(guò)連接管沿切線方向經(jīng)渦流進(jìn)氣口進(jìn)入渦流室，氣流在該渦流室內(nèi)產(chǎn)生出溫度不同的兩束氣流，其中溫度較低的氣流作為冷卻氣流從 所述冷卻氣體出口輸出，溫度較高的氣流從所述熱氣體出口排出。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的冷卻裝置還包括夾持器，用于將渦流管固定于 所述窗口固定裝置上。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口包括窗口、凸鏡和散 熱棒，所述冷卻氣流噴射到窗口、凸鏡和散熱棒上。本發(fā)明利用渦流管冷卻系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定性好、維護(hù)方便和可無(wú)限制連續(xù)工作的 優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了渦流管窗口冷卻裝置對(duì)窗口及位于同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的凸鏡及散熱棒進(jìn)行 冷卻，克服了同軸非穩(wěn)腔無(wú)法進(jìn)行水冷的困難。工作時(shí)冷氣流均勻?qū)蛲圭R的散熱棒、窗口 及凸鏡，對(duì)散熱棒、窗口及凸鏡進(jìn)行的低溫強(qiáng)迫對(duì)流冷卻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口及凸鏡的冷卻， 減弱同軸非穩(wěn)腔激光器窗口和凸鏡工作時(shí)熱吸收引起的光束質(zhì)量畸變。本發(fā)明的冷卻裝置 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，不需要額外的氣體冷卻裝置，可連續(xù)的工作。當(dāng)高能激光器連續(xù)長(zhǎng)時(shí) 間工作時(shí)，可以非常有效地控制鏡面熱畸變的大小。


圖1是激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口冷卻裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的渦流管結(jié)構(gòu)及原理具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。在激光輻照下，激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的窗口 7及凸鏡8吸收激光能量后各 部位溫度升高不同，產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致變形。由于同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的凸鏡被環(huán)形強(qiáng)激光 包圍，如果采用渦流管冷卻系統(tǒng)對(duì)同軸非穩(wěn)腔輸出窗口進(jìn)行均勻低溫氣流冷卻，則可以降 低窗口 7和凸鏡8的溫升，從而抑制其鏡面面型畸變。本發(fā)明基于上述原理設(shè)計(jì)而成。如圖1所示，激光器的同軸非穩(wěn)腔輸出窗口由窗口 7、凸鏡8及散熱棒9組成。在 激光器工作過(guò)程中，窗口 7和凸鏡8由于吸收激光能量產(chǎn)生不均勻的溫度升高，從而產(chǎn)生不 均勻的變形，使光束質(zhì)量發(fā)生畸變。散熱棒9雖然能夠起到散熱作用，但是由于輻照的激光 功率大，散熱棒9在不加輔助措施時(shí)難以將窗口 7和凸鏡8所吸收的所有激光能量散去，特 別是激光功率很大時(shí)。如圖1所示，本發(fā)明提供的同軸非穩(wěn)腔輸出窗口冷卻裝置的渦流管冷卻裝置包括 高速氣流產(chǎn)生器1、連接管2、渦流管3、夾持器4、氣流管5和窗口固定裝置6。窗口固定裝 置6中具有環(huán)形槽10，在該環(huán)形槽10內(nèi)均布有多個(gè)節(jié)流孔11，節(jié)流孔11的數(shù)目從數(shù)個(gè)至 數(shù)十個(gè)變化。如圖1所示，本發(fā)明采用渦流管3作為冷卻氣體產(chǎn)生元件。渦流管3產(chǎn)生的 冷卻氣體由出口 13流出經(jīng)過(guò)氣流管5和窗口固定裝置6中的環(huán)形槽10，經(jīng)過(guò)節(jié)流孔11均 勻地噴射到窗口 7、凸鏡8和散熱棒9上，帶走窗口 7和凸鏡8吸收的激光能量，從而降低窗 口 7和凸鏡8的溫升和變形。由于從渦流管3出來(lái)的冷卻氣體溫度很低；又由于節(jié)流孔11 的直徑很小，因而噴射到激光窗口 7和凸鏡8的散熱棒9上的氣流速度很大，因此該冷卻裝 置能帶走很多的熱量，大大降低窗口 7和凸鏡8的溫升和變形。如圖2所示，本發(fā)明采用的渦流管3是冷卻氣體產(chǎn)生元件，包括進(jìn)氣口 12、渦流室
513、冷卻氣體出口 14和熱氣體出口 15。通過(guò)高速氣流產(chǎn)生器1產(chǎn)生的高速的氣流通過(guò)連接 管2沿切線方向經(jīng)渦流進(jìn)氣口 12進(jìn)入渦流室13。在渦流室的周邊部分形成自由渦流，其旋 轉(zhuǎn)質(zhì)量角速度在渦流室邊緣部分較小，而接近軸心部分較大，于是在渦流室中沿半徑高速 的氣流沿切線方向進(jìn)入渦流室，便在渦流室的周邊部分形成自由渦流，其旋轉(zhuǎn)質(zhì)量角速度 在渦流室邊緣部分較小，而接近軸心部分則越來(lái)越大，于是在渦流室中沿半徑方向形成了 不同角速度的氣流層。由于氣流層之間的摩擦，內(nèi)層的角速度要降低而外層的角速度要提 高，因而內(nèi)層氣流便將一部分動(dòng)能傳給外層氣流。渦流室中心部分的氣體當(dāng)經(jīng)孔板流出時(shí) 便具有了較低的溫度；而邊緣部分的熱氣體當(dāng)流經(jīng)熱端管子時(shí)，由于摩擦的存在，使動(dòng)能又 轉(zhuǎn)化為熱能，因而，經(jīng)控制閥流出就有了較高的溫度。方向形成了不同角速度的氣流層。由 于氣流層之間的摩擦，內(nèi)層的角速度要降低而外層的角速度要提高，因而內(nèi)層氣流便將一 部分動(dòng)能傳給外層氣流。渦流室中心部分的氣體由出口 14流出時(shí)溫度較低；而邊緣部分的 熱氣體經(jīng)出口 15時(shí)溫度較高，這樣就產(chǎn)生了兩束溫度不同的冷熱氣流。
權(quán)利要求
一種冷卻裝置，用于對(duì)激光器的同軸非穩(wěn)腔輸出窗口進(jìn)行冷卻，該冷卻裝置包括高速氣流產(chǎn)生器(1)、連接管(2)、渦流管(3)、氣流管(5)和窗口固定裝置(6)，該窗口固定裝置(6)具有環(huán)形槽(10)，多個(gè)節(jié)流孔(11)均布于該環(huán)形槽(10)內(nèi)，所述高速氣流產(chǎn)生器(1)產(chǎn)生的氣流通過(guò)連接管(2)輸入渦流管(3)，氣流在渦流管(3)中一部分轉(zhuǎn)化為冷卻氣流，該冷卻氣流經(jīng)過(guò)氣流管(5)和環(huán)形槽(10)內(nèi)的節(jié)流孔(11)均勻噴射到所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口上，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述的渦流管(3)包括進(jìn)氣口(12)、 渦流室(13)、冷卻氣體出口(14)和熱氣體出口(15)，所述高速氣流產(chǎn)生器(1)產(chǎn)生的氣流 通過(guò)連接管(2)沿切線方向經(jīng)渦流進(jìn)氣口(12)進(jìn)入渦流室(13)，氣流在該渦流室(13)內(nèi) 產(chǎn)生出溫度不同的兩束氣流，其中溫度較低的氣流作為冷卻氣流從所述冷卻氣體出口(14) 輸出，溫度較高的氣流從所述熱氣體出口(15)排出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷卻裝置，其特征在于，所述的冷卻裝置還包括夾持器 (4)，用于將渦流管(3)固定于所述窗口固定裝置(6)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的冷卻裝置，其特征在于，所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出 窗口包括窗口(7)、凸鏡⑶和散熱棒(9)，所述冷卻氣流噴射到窗口(7)、凸鏡⑶和散熱 棒(9)上。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種激光器同軸非穩(wěn)腔的輸出窗口冷卻裝置，該冷卻裝置包括高速氣流產(chǎn)生器(1)、連接管(2)、渦流管(3)、氣流管(5)和窗口固定裝置(6)，該窗口固定裝置(6)具有環(huán)形槽(10)，多個(gè)節(jié)流孔(11)均布于該環(huán)形槽(10)內(nèi)，所述高速氣流產(chǎn)生器(1)產(chǎn)生的氣流通過(guò)連接管(2)輸入渦流管(3)，氣流在渦流管(3)中一部分轉(zhuǎn)化為冷卻氣流，該冷卻氣流經(jīng)過(guò)氣流管(5)和環(huán)形槽(10)內(nèi)的節(jié)流孔(11)均勻噴射到所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口上，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻。本發(fā)明系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定性好、維護(hù)方便和可無(wú)限制連續(xù)工作，可以非常有效地控制鏡面熱畸變的大小。
文檔編號(hào)H01S3/04GK101854019SQ20101020102
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月17日
發(fā)明者余文峰, 盧宏, 葉克飛, 程祖海, 陳佳元 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)