專利名稱：激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器，特別是一種激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法。
背景技術(shù)：
近年來，一種折射率匹配的直接浸沒式冷卻的高功率激光技術(shù)引起國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，該技術(shù)是將固體激光增益介質(zhì)浸沒在與之折射率相同的循環(huán)流動冷卻的冷卻液中進(jìn)行直接冷卻，可實(shí)現(xiàn)高的表面積-體積比以提高散熱效率和改善溫度均勻性，同時(shí)折射率的匹配可以消除固體激光增益介質(zhì)熱應(yīng)力下產(chǎn)生的面型畸變的影響，同時(shí)也降低了對相應(yīng)固體器件的加工面型精度的要求。該技術(shù)有望大幅度改善高功率激光系統(tǒng)的熱管理水平，提高熱負(fù)載能力，因而具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。在美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(DefenceAdvanced Research Projects Agency)開展的高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)(High EnergyLiquid Laser Area Defence System)項(xiàng)目中，作為兩家競標(biāo)公司之一的通用原子能公司的設(shè)計(jì)方案正是采用這種設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案中激光光束通過一系列浸沒在循環(huán)冷卻的折射率匹配冷卻液中的固 體激光增益介質(zhì)薄片進(jìn)行放大。該系統(tǒng)由兩個(gè)75KW的模塊共同組建成一個(gè)激光振蕩器，實(shí)現(xiàn)了最高150KW的輸出(Laser containing a distributed gainmedium, Michael D.Perry, Paul S.Banks, Jason Zweiback, Robert ff.Schleicher, UnitedStates Patent:US7，366，211，B2 (2008))。國內(nèi)也要采用類似設(shè)計(jì)的報(bào)道，該報(bào)道中采用折射率匹配冷卻液浸沒冷卻的釹玻璃微球陣列結(jié)構(gòu)，也實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的激光輸出(A neodymium fluid laser: Laser emission in circulating state, ChaoqiHou, Haitao Guo, Jiangbo She, Xiaoxia Cui, Zebang Qiao, Fei Gao, Min Lu, Wei Wei, PoPeng, Optics&Laser Technology (2012))。而該激光技術(shù)的核心關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)折射率的匹配。如果在激光器工作過程中，折射率匹配冷卻液與固體激光增益介質(zhì)之間無法實(shí)現(xiàn)良好的折射率匹配，會帶來嚴(yán)重的損耗以及波前的畸變。而截至目前，尚無直接回答如何實(shí)現(xiàn)激光器工作條件下的折射率匹配的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題在于提供一種激光器的增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法，該方法有效地保持了冷卻液與固體激光增益介質(zhì)之間良好的折射率匹配，從而抑制了增益介質(zhì)和冷卻液之間各個(gè)界面的反射和折射帶來的損耗。實(shí)驗(yàn)表明，可將反射/折射損耗降低至小于0.02cm-10本發(fā)明技術(shù)解決方案如下:一種激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括:增益介質(zhì)腔、增益介質(zhì)、折射率匹配冷卻液、熱交換器、循環(huán)泵、可調(diào)恒溫槽、恒溫液體和泵浦源，所述的增益介質(zhì)置于所述的增益介質(zhì)腔中，該增益介質(zhì)腔具有折射率匹配冷卻液的輸入口和輸出口，所述的熱交換器內(nèi)的恒溫液體經(jīng)所述的可調(diào)恒溫槽循環(huán)，所述的增益介質(zhì)腔的輸出口經(jīng)管路依次經(jīng)所述的循環(huán)泵、熱交換器內(nèi)的熱交換管路、管路和所述的增益介質(zhì)腔的輸入口構(gòu)成一封閉的環(huán)路，所述的折射率匹配冷卻液置于并充滿所述的增益介質(zhì)腔和所述的環(huán)路，所述的折射率匹配冷卻液在所述的循環(huán)泵的驅(qū)動下在所述的增益介質(zhì)腔和熱交換器內(nèi)循環(huán)運(yùn)動。所述的增益介質(zhì)為片狀激光介質(zhì)、圓柱體狀激光介質(zhì)或其他不規(guī)則激光介質(zhì)。用于上述的激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置的折射率匹配冷卻液的匹配方法，該方法包括下列步驟:①選取折射率分別高于和低于所述的激光增益介質(zhì)的折射率的溶劑混合來配置折射率匹配冷卻液，設(shè)激光器采用的固體激光增益介質(zhì)折射率為ns，，兩種溶劑常溫下的折射率分別為H1 (H1 < ns),n2 (n2 > ns)，要求所選溶劑彼此互溶并不與所接觸到的其他材料發(fā)生反應(yīng)，低毒性，低腐蝕性，對泵浦光和輸出信號光的吸收系數(shù)小于0.0lcnT1 ；②根據(jù)所述的增益介質(zhì)腔和折射率匹配冷卻液管路確定折射率匹配冷卻液的總量，調(diào)整選定的兩種溶劑比例直至混合溶劑的折射率為ns，測量混合溶劑的比熱容C1，混合溶劑的溫度折射率系數(shù)K，混合溶劑的密度P 1；再調(diào)整兩種溶劑的比例直至混合溶劑即折射率匹配冷卻液的折射率為:n0 = ns-Kffp/2CX P ,其中，F(xiàn)1為折射率匹配冷卻液的流量，Wp為泵浦光的熱功率；③將所述的折射率匹配冷卻液置于所述的激光增益介質(zhì)腔中，開啟循環(huán)泵使折射率匹配冷卻液所在循環(huán)系統(tǒng)流量達(dá)到F1,再開啟激光泵浦源，待從激光增益介質(zhì)腔流出的折射率匹配冷卻液的溫度不再變化后，通過所述的可調(diào)恒溫槽緩慢微調(diào)注入增益介質(zhì)腔的折射率匹配冷卻液的溫 度，觀察激光器輸出功率/能量的變化，若升溫導(dǎo)致激光器輸出功率/能量降低，則緩慢降溫直至激光器輸出功率/能量不再升高，反之則繼續(xù)緩慢升溫，直至輸出激光功率/能量達(dá)到最大，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了激光器工作條件下最佳折射率匹配。通過配置折射率匹配冷卻液時(shí)的折射率預(yù)調(diào)制和激光器工作狀態(tài)下對折射率匹配冷卻液的溫度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)浸沒式冷卻的激光器在工作狀態(tài)下的最佳折射率匹配。激光器的泵浦光按照其轉(zhuǎn)換效率，只有部分轉(zhuǎn)化成激光輸出，剩余絕大部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部的熱沉積，導(dǎo)致固體增益介質(zhì)以及冷卻液的升溫。由于液體的溫度-折射率系數(shù)(Λη/AT:折射率隨溫度的變化率)比固體大I 2個(gè)數(shù)量級，同時(shí)，液體折射率隨溫度升高而降低,而對于正溫度-折射率系數(shù)的固體，其折射率隨溫度升高而升高，對于負(fù)溫度-折射率系數(shù)的固體，其折射率隨著溫度升高而降低，因此溫度的升高會導(dǎo)致固體-液體折射率不同的變化。折射率預(yù)調(diào)制是指:在常溫下配置折射率匹配冷卻液時(shí)，通過調(diào)整組分將匹配液的折射率提高至高于固體介質(zhì)折射率的某一特定值，使得激光器在泵浦光作用下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作和穩(wěn)態(tài)溫升時(shí)，溫升后的冷卻液折射率與固體介質(zhì)折射率趨于相同。激光器工作狀態(tài)下對折射率匹配冷卻液的溫度調(diào)制是指:由于激光介質(zhì)的構(gòu)型，材料以及工作條件(匹配液流量等)的不同，激光器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)溫度分布后，固體介質(zhì)的溫升會有所不同，導(dǎo)致固體介質(zhì)折射率會出現(xiàn)不同程度的變化(遠(yuǎn)小于同樣溫升下液體折射率的變化)。此時(shí)，通過調(diào)制折射率匹配冷卻液的溫度，實(shí)現(xiàn)對 匹配液折射率的調(diào)制，直至激光器工作條件下實(shí)現(xiàn)折射率的最佳匹配。溫度調(diào)制的折射率的變化范圍為:( H1),η。為常溫下匹配液的折射率，H1為匹配液凝固點(diǎn)溫度的折射率，若固體激光介質(zhì)的折射率變化在此范圍內(nèi)，則可實(shí)現(xiàn)折射率匹配。定義&為固體介質(zhì)的溫度折射率系數(shù)，則當(dāng)固體介質(zhì)溫升ATS< (Ii1-1ici)/Ks時(shí)，本發(fā)明所述方法適用。本發(fā)明的技術(shù)效果:在泵浦源的照射下，有效保持了冷卻液與固體激光增益介質(zhì)之間良好的折射率匹配，從而抑制了元件和冷卻液之間各個(gè)界面的反射和折射帶來的損耗。實(shí)驗(yàn)表明，可將反射/折射損耗降低至小于0.02Cm^1O


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的原理示意2為本發(fā)明實(shí)施例2的原理示意圖
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明所述方法作進(jìn)一步說明。該實(shí)施例以解釋本發(fā)明的方式提供，而非本發(fā)明的限制。先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的原理示意圖，由圖可見，本發(fā)明激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置，構(gòu)成包括:增益介質(zhì)腔3、增益介質(zhì)1、折射率匹配冷卻液2、熱交換器5、循環(huán)泵4、可調(diào)恒溫槽6、恒溫液體7和泵浦源8，所述的增益介質(zhì)I置于所述的增益介質(zhì)腔3中，該增益介質(zhì)腔3具有折射率匹配冷卻液2的輸入口和輸出口，所述的熱交換器5內(nèi)的恒溫液體7經(jīng)所述的可調(diào)恒溫槽6循環(huán)，所述的增益介質(zhì)腔3的輸出口經(jīng)管路依次經(jīng)所述的循環(huán)泵4、熱交換器5內(nèi)的熱交換管路、管路和所述的增益介質(zhì)腔3的輸入口構(gòu)成一封閉的環(huán)路，所述的折射率匹配冷卻液2置于并充滿所述的增益介質(zhì)腔3和所述的環(huán)路，所述的折射率匹配冷卻液2在所述的循環(huán)泵4的驅(qū)動下在所述的增益介質(zhì)腔3和熱交換器5內(nèi)循環(huán)運(yùn)動。所述的增益介質(zhì)I為片狀激光介質(zhì)。用于激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置實(shí)施例述I的折射率匹配冷卻液的匹配方法，該方法包括下列步驟:①選取折射率分別高于和低于所述的激光增益介質(zhì)I的折射率的溶劑混合來配置折射率匹配冷卻液，設(shè)激光器采用的固體激光增益介質(zhì)折射率為ns，，兩種溶劑常溫下的折射率分別為Ii1 (H1 < ns),n2 (n2 > ns)，要求所選溶劑彼此互溶并不與所接觸到的其他材料發(fā)生反應(yīng)，低毒性，低腐蝕性，對泵浦光和輸出信號光的吸收系數(shù)小于0.0lcnT1 ；②根據(jù)所述的增益介質(zhì)腔(3)和折射率匹配冷卻液管路確定折射率匹配冷卻液的總量，調(diào)整選定的兩種溶劑比例直至混合溶劑的折射率為ns，測量混合溶劑的比熱容C1，混合溶劑的溫度折射率系數(shù)K，混合溶劑的密度P 1；再調(diào)整兩種溶劑的比例直至混合溶劑即折射率匹配冷卻液的折射率為:n0 = ns-Kffp/2CX P ,其中，F(xiàn)1為折射率匹配冷卻液的流量，Wp為泵浦光的熱功率；③將所述的折射率匹配冷卻液置于所述的激光增益介質(zhì)腔3中，開啟循環(huán)泵4使折射率匹配冷卻液所在循環(huán)系統(tǒng)流量達(dá)到F1，再開啟激光泵浦源8，待從激光增益介質(zhì)腔3流出的折射率匹配冷卻液的溫度不再變化后，通過所述的可調(diào)恒溫槽6緩慢微調(diào)注入增益介質(zhì)腔3的折射率匹 配冷卻液2的溫度，觀察激光器輸出功率/能量的變化，若升溫導(dǎo)致激光器輸出功率/能量降低，則緩慢降溫直至激光器輸出功率/能量不再升高，反之則繼續(xù)緩慢升溫，直至輸出激光功率/能量達(dá)到最大，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了激光器工作條件下最佳折射率匹配。實(shí)施例1:本實(shí)施例中的固體激光介質(zhì)單元I材料為Nd: YLF (Nd: LiYF4)，以晶體中尋常光(ο光)傳播方向?yàn)樵鲆娼橘|(zhì)中激光的傳播方向，常溫20°C下ο光折射率ns=l.4481，選取乙酸乙酯和液體石蠟的混合溶劑來配置折射率匹配冷卻液2，兩者室溫20°C下的折射率分別為1.3406，1.4677，室溫下調(diào)配兩者混合比例直至混合溶劑折射率與固體激光介質(zhì)I的折射率相同，測得此時(shí)混合溶劑密度0.88g/cm3，溫度折射率系數(shù)為-1lX 10_4/°C，比熱容為2.4kJ/(kg.K)。本實(shí)施例中泵浦光9的熱功率10KW，折射率匹配冷卻液2的流量為3L/s。代入式(1)，得到nQ=l.4490，依此調(diào)整二溴乙烷與四溴乙烷的比例直至混合溶劑(折射率匹配冷卻液2)的折射率為1.4490。然后，構(gòu)建如圖1所示硬件。將一組4片薄片狀固體激光增益介質(zhì)單元I安裝在增益介質(zhì)腔3中，固體激光增益介質(zhì)單元I尺寸為:100mmX120mmX2mm，增益介質(zhì)腔3腔內(nèi)尺寸為IOOmmX IOOmmX 30mm,壁厚IOmm,材質(zhì)為石英,腔3的內(nèi)外壁和增益介質(zhì)單元I的表面拋光達(dá)到光學(xué)鏡面光潔度。腔體3內(nèi)的折射率匹配冷卻液2在循環(huán)泵4的推動下導(dǎo)出腔體3并實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動。循環(huán)流動的折射率匹配冷卻液2在注入增益介質(zhì)腔3之前經(jīng)過熱交換器5，該熱交換器5為金屬熱沉。熱交換器5通過從溫度可調(diào)恒溫槽6中引入的恒溫液體7實(shí)施對注入腔體3的折射率匹配冷卻液2的溫度調(diào)制。實(shí)施激光器工作條件下的折射率匹配時(shí)，首先將上述配置好的折射率匹配冷卻液2注滿腔體3和循環(huán)泵4所在的循環(huán)管路，然后開啟循環(huán)泵4使得流量達(dá)到F1=SIVs,然后開啟激光器的泵浦源8。當(dāng)從腔體3中流出的折射率匹配冷卻液2的溫度不再變化時(shí)，緩緩微調(diào)恒溫槽6的溫度，觀察激光器的輸出功率的變化，直至激光器的輸出功率達(dá)到極大值，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了最佳的折射率匹配。 實(shí)施例2:圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的原理示意圖首先，實(shí)施折射率預(yù)調(diào)制。本實(shí)施例中的固體激光介質(zhì)單元10材料為摻釹磷酸鹽玻璃，常溫20°C下折射率ns=l.5386，選取二溴乙烷和四溴乙烷的混合溶劑來配置折射率匹配冷卻液2，兩者室溫20°C下的折射率分別為1.5342，1.6317，室溫下調(diào)配兩者混合比例直至混合溶劑折射率與固體激光介質(zhì)I相同，測得此時(shí)混合溶劑密度2.19g/cm3，溫度折射率系數(shù)-7X 10_4/°C，比熱容0.72kJ/(kg.K)。本實(shí)施例中泵浦光9的熱功率4KW，折射率匹配冷卻液2的流量為0.5L/s。帶入式(1)，得到nQ = 1.5403，依此調(diào)整二溴乙烷與四溴乙烷的比例直至混合溶劑(折射率匹配冷卻液2)的折射率為1.5403。然后，構(gòu)建如圖2所示硬件。將一組4X5根圓柱體狀固體激光增益介質(zhì)單元10安裝在增益介質(zhì)腔3中，固體激光增益介質(zhì)單元I直徑4_，長25_，增益介質(zhì)腔3腔內(nèi)尺寸為25mmX 25mmX 30mm,壁厚3mm,材質(zhì)為石英,腔3的內(nèi)外壁和增益介質(zhì)單兀I的表面拋光達(dá)到光學(xué)鏡面光潔度。腔體3內(nèi)的折射率匹配冷卻液2在循環(huán)泵4的推動下導(dǎo)出腔體3并實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動。循環(huán)流動的折射率匹配冷卻液2在注入增益介質(zhì)腔3之前經(jīng)過熱交換器
5.熱交換器5通過從溫度可調(diào)恒溫槽6中引入的恒溫液體7實(shí)施對注入腔體3的折射率匹配冷卻液2的溫度調(diào)制。實(shí)施激光器工作條件下的折射率匹配時(shí)，首先將上述配置好的折射率匹配冷卻液2注滿腔體3和循環(huán)泵4所在的循環(huán)管路，然后開啟循環(huán)泵4使得流量達(dá)到F1=0.5L/s，然后開啟激光器的泵浦源8。當(dāng)從腔體3中流出的折射率匹配冷卻液2的溫度不再變化時(shí)，緩緩微調(diào)恒溫槽6的溫度，觀察激光器的輸出功率的變化，直至激光器的輸出功率達(dá)到極大值，此時(shí)實(shí) 現(xiàn)了最佳的折射率匹配。
權(quán)利要求
1.一種激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置，特征在于其構(gòu)成包括:增益介質(zhì)腔(3)、增益介質(zhì)(I)、折射率匹配冷卻液(2)、熱交換器(5)、循環(huán)泵(4)、可調(diào)恒溫槽(6)、恒溫液體(7)和泵浦源(8)，所述的增益介質(zhì)(I)置于所述的增益介質(zhì)腔(3)中，該增益介質(zhì)腔(3)具有折射率匹配冷卻液(2)的輸入口和輸出口，所述的熱交換器(5)內(nèi)的恒溫液體(7)經(jīng)所述的可調(diào)恒溫槽(6)循環(huán)，所述的增益介質(zhì)腔(3)的輸出口經(jīng)管路依次經(jīng)所述的循環(huán)泵(4)、熱交換器(5)內(nèi)的熱交換管路、管路和所述的增益介質(zhì)腔(3)的輸入口構(gòu)成一封閉的環(huán)路，所述的折射率匹配冷卻液(2)置于并充滿所述的增益介質(zhì)腔(3)和所述的環(huán)路，所述的折射率匹配冷卻液(2)在所述的循環(huán)泵(4)的驅(qū)動下在所述的增益介質(zhì)腔(3)和熱交換器(5)內(nèi)循環(huán)運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置，其特征在于所述的增益介質(zhì)(I)為片狀激光介質(zhì)、球狀激光介質(zhì)或其他不規(guī)則激光介質(zhì)。
3.用于權(quán)利要求1所述的激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置的折射率匹配冷卻液的匹配方法，其特征在于該方法包括下列步驟: ①選取折射率分別高于和低于所述的激光增益介質(zhì)(I)的折射率的溶劑混合來配置折射率匹配冷卻液，設(shè)激光器采用的固體激光增益介質(zhì)折射率為ns，，兩種溶劑常溫下的折射率分別為Ii1 (H1 < ns),n2 (n2 > ns)，要求所選溶劑彼此互溶并不與所接觸到的其他材料發(fā)生反應(yīng)，低毒性，低腐蝕性，對泵浦光和輸出信號光的吸收系數(shù)小于0.0lcnT1 ； ②根據(jù)所述的增益介質(zhì)腔(3)和折射率匹配冷卻液管路確定折射率匹配冷卻液的總量，調(diào)整選定的兩種溶劑比例直至混合溶劑的折射率為ns，測量混合溶劑的比熱容C1,混合溶劑的溫度折射率系數(shù)K，混合溶劑 的密度P 1；再調(diào)整兩種溶劑的比例直至混合溶劑即折射率匹配冷卻液的折射率為:I10=Iis-KVXp1F1, 其中，F(xiàn)1為折射率匹配冷卻液的流量，Wp為泵浦光的熱功率； ③將所述的折射率匹配冷卻液置于所述的激光增益介質(zhì)腔(3)中，開啟循環(huán)泵(4)使折射率匹配冷卻液所在循環(huán)系統(tǒng)流量達(dá)到F1，再開啟激光泵浦源，待從激光增益介質(zhì)腔(3)流出的折射率匹配冷卻液的溫度不再變化后，通過所述的可調(diào)恒溫槽6緩慢微調(diào)注入增益介質(zhì)腔(3)的折射率匹配冷卻液(2)的溫度，觀察激光器輸出功率/能量的變化，若升溫導(dǎo)致激光器輸出功率/能量降低，則緩慢降溫直至激光器輸出功率/能量不再升高，反之則繼續(xù)緩慢升溫，直至輸出激光功率/能量達(dá)到最大，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了激光器工作條件下最佳折射率匹配。
全文摘要
一種激光器增益介質(zhì)與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法，匹配裝置的構(gòu)成包括增益介質(zhì)、折射率匹配冷卻液、增益介質(zhì)腔、循環(huán)泵、熱交換器、可調(diào)恒溫槽、恒溫液體和泵浦源。本發(fā)明有效地保持了冷卻液與固體激光增益介質(zhì)之間良好的折射率匹配，從而抑制了增益介質(zhì)和冷卻液之間各個(gè)界面的反射和折射帶來的損耗。實(shí)驗(yàn)表明，可將反射/折射損耗降低至小于0.02cm-1。
文檔編號H01S3/042GK103236625SQ20131012980
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者桂珞, 范滇元 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所