一種浸沒式冷卻固體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種浸沒式冷卻固體激光器。包括流動(dòng)增益池、與流動(dòng)增益池依次連接的熱交換器、折射率匹配液儲(chǔ)液池、流動(dòng)循環(huán)泵和流量控制器；流動(dòng)增益池兩端分別通過折射率匹配液出口和折射率匹配液進(jìn)口與熱交換器和流量控制器連接從而形成閉路的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；流動(dòng)增益池外部還設(shè)置有諧振腔與半導(dǎo)體激光泵浦源；諧振腔由全反射鏡和輸出鏡組成；折射率匹配液儲(chǔ)液池內(nèi)裝有折射率匹配液；流動(dòng)增益池內(nèi)部在通光方向設(shè)置有呈布儒斯特角“八字型”對(duì)稱擺放的激光增益介質(zhì)；流動(dòng)增益池四周還設(shè)置有通光窗口。本發(fā)明提出了一種避免了光路偏折、提高了工作效率的浸沒式冷卻固體激光器。
【專利說明】一種浸沒式冷卻固體激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種激光器，具體涉及一種浸沒式冷卻固體激光 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 固體激光器具有輸出能量大，峰值功率高等特點(diǎn)，在工業(yè)制造、國防、高能物理研 究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，高功率強(qiáng)激光技術(shù)目前己成為固體激光 器發(fā)展一個(gè)重要方向。但固態(tài)激光系統(tǒng)由于泵浦過程中的斯塔克斯譜移、量子虧損、無用泵 浦吸收帶等原因，會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱，導(dǎo)致增益介質(zhì)的熱透鏡、應(yīng)力、退偏、雙折射，甚至產(chǎn) 生破壞性不可逆損，從而限制了它的重復(fù)使用率、使用范圍、運(yùn)轉(zhuǎn)周期和壽命。美國利弗莫 爾國家實(shí)驗(yàn)室提出了采用激光器工作過程中不冷卻，停止運(yùn)轉(zhuǎn)后對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制快速 致冷的固體激光器熱容模式（IEEE J. Quantum Electron.，31:293-300)。該方法在一定程 度上提高了熱管理效率，改善了輸出光束質(zhì)量，提高了平均輸出功率和工作效率，但無法實(shí) 現(xiàn)冷卻和激光輸出同時(shí)進(jìn)行，必須采用脫機(jī)冷卻的工作方式，大大影響了激光器工作的穩(wěn) 定性和效率，并未從根本上解決工作過程中的熱效問題。美國通用公司提出了采用分布式 激光增益介質(zhì)的激光器，將增益介質(zhì)切割為一定厚度的薄片，按照一定角度陣列排布，冷卻 液體從陣列薄片四周流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)和冷卻同時(shí)進(jìn)行（專利US7366211B2)。該方法 提高了冷卻液和激光增益介質(zhì)的熱交換效率，可以有效的提高固體激光器的冷卻效果，但 增益介質(zhì)呈一定角度重復(fù)排列必然造成光路的偏折，給光路的設(shè)計(jì)及調(diào)整帶來一定挑戰(zhàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種浸沒式冷卻固體激光 器，有效的避免了光路偏折，實(shí)現(xiàn)大口徑激光輸出和冷卻同時(shí)進(jìn)行，提高了激光器的輸出功 率和工作效率，降低激光泵浦過程中增益介質(zhì)的熱累積。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種浸沒式冷卻固體激光器，其特殊之處在于：包括流動(dòng) 增益池、與流動(dòng)增益池依次連接的熱交換器、折射率匹配液儲(chǔ)液池、流動(dòng)循環(huán)泵和流量控制 器；所述流動(dòng)增益池兩端分別通過折射率匹配液出口和折射率匹配液進(jìn)口與熱交換器和流 量控制器連接從而形成閉路的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；上述流動(dòng)增益池外部還設(shè)置有諧振腔與半導(dǎo) 體激光泵浦源；
[0005] 上述諧振腔由全反射鏡和輸出鏡組成；
[0006] 上述折射率匹配液儲(chǔ)液池內(nèi)裝有折射率匹配液；
[0007] 上述流動(dòng)增益池內(nèi)部在通光方向設(shè)置有呈布儒斯特角"八字型"對(duì)稱擺放的激光 增益介質(zhì)；流動(dòng)增益池四周還設(shè)置有通光窗口；
[0008] 上述激光增益介質(zhì)為片狀摻釹激光玻璃或晶體材料，且增益介質(zhì)的泵浦光和激光 輸出方向垂直；
[0009] 上述半導(dǎo)體激光泵浦源波長(zhǎng)為800?808納米；
[0010] 上述激光增益介質(zhì)厚度為0. 1?10mm，邊長(zhǎng)為10?100mm ;
[0011] 上述折射率匹配液為有機(jī)溶劑或其混合物；
[0012] 上述全反鏡為平面鏡鍍1048?1070納米全反膜；
[0013] 上述輸出鏡為凹面鏡；
[0014] 上述通光窗口鍍有800?808納米增透膜石英窗口片。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0016] 該浸沒式冷卻固體激光器，采用激光性能的片狀摻釹晶體或玻璃作為激光增益介 質(zhì)，可以充分發(fā)揮固體激光器優(yōu)異的光譜特性，實(shí)現(xiàn)大口徑激光輸出；同時(shí)采用液體對(duì)激光 工作物質(zhì)直接進(jìn)行浸沒式冷卻，大大提高了熱管理效率，極限熱功率負(fù)載大幅提高，從而允 許注入更高的泵浦功率并大幅提高激光輸出功率和頻率。將固體材料加工為薄片，可以直 接提高增益介質(zhì)的散熱面積，提高了增益介質(zhì)和冷卻液的熱交換效率；增益介質(zhì)在流動(dòng)池 中可以單片或多片為一組，每組間呈"八字型"對(duì)稱擺放，可以實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)的陣列排放，而 不會(huì)產(chǎn)生光路偏折。增益介質(zhì)的泵浦光和激光輸出方向垂直，方便泵浦源的空間擺放，可以 實(shí)現(xiàn)單元模塊的串聯(lián)激光放大，更容易實(shí)現(xiàn)高能量激光輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器匹配液流動(dòng)循環(huán)示意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器激光輸出圖譜；
[0020] 圖4為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器激光輸出斜率效率；
[0021] 其中1-輸出鏡，2-全反鏡，3-半導(dǎo)體激光泵浦源，4-流動(dòng)增益池，5-激光增益介 質(zhì)，6a-折射率匹配液進(jìn)口，6b-折射率匹配液出口，7-激光輸出通光窗口，8-泵浦光通光窗 口，9-熱交換器，10-折射率匹配液儲(chǔ)液池，11-流動(dòng)循環(huán)泵，12-流量控制器。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 參見圖1-4, 一種浸沒式冷卻固體激光器，包括流動(dòng)增益池4、與流動(dòng)增益池4依次 連接的熱交換器9、折射率匹配液儲(chǔ)液池10、流動(dòng)循環(huán)泵11和流量控制器12 ;所述流動(dòng)增 益池4兩端分別通過折射率匹配液出口 6b和折射率匹配液進(jìn)口 6a與熱交換器9和流量控 制器12連接從而形成閉路的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；所述流動(dòng)增益池4外部還設(shè)置有諧振腔與半導(dǎo) 體激光泵浦源；諧振腔由全反射鏡2和輸出鏡1組成；折射率匹配液儲(chǔ)液池10內(nèi)裝有折射 率匹配液；流動(dòng)增益池4內(nèi)部在通光方向設(shè)置有呈布儒斯特角"八字型"對(duì)稱擺放的激光增 益介質(zhì)；流動(dòng)增益池4四周還設(shè)置有通光窗口；激光增益介質(zhì)為片狀摻釹激光玻璃或晶體 材料，且增益介質(zhì)的泵浦光和激光輸出方向垂直。半導(dǎo)體激光泵浦源波長(zhǎng)為808納米；激 光增益介質(zhì)為摻釹激光玻璃或晶體材料；激光增益介質(zhì)厚度為〇. 1?l〇mm，邊長(zhǎng)為10? 100mm ;折射率匹配液為有機(jī)溶劑或其混合物；全反鏡為平面鏡鍍1064納米全反膜；輸出鏡 為凹面鏡；通光窗口鍍有808納米增透膜石英窗口片。
[0023] 圖1為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器意圖。由圖可知，1和2分別為輸出鏡和全 反射鏡，全反鏡為平面鏡鍍1064納米全反膜，輸出鏡為凹面鏡在1064納米透過率為85%， 形成一個(gè)完整的平凹諧振腔可以實(shí)現(xiàn)光的振蕩放大。3為半導(dǎo)體激光泵浦源，波長(zhǎng)為808納 米，用于對(duì)擺放于流動(dòng)增益池4中的Nd:YAG晶體5進(jìn)行泵浦。4為流動(dòng)增益池，內(nèi)可安置 片狀激光增益介質(zhì)，在其底端和頂端各有兩個(gè)進(jìn)液和出液口 6,在激光振蕩通光方向?yàn)殄冇?1064納米增透膜石英窗口片7,半導(dǎo)體激光泵浦源正對(duì)方向?yàn)殄冇?08納米增透膜石英窗 口片8。激光增益介質(zhì)為lat%濃度的Nd:YAG晶體，尺寸為30*25*lmm 3,三片一組，與1064 納米激光輸出方向呈布儒斯特角（38.4° )擺放，兩組晶片呈"八字型"對(duì)稱擺放，可以抵消 其中一組傾斜擺放產(chǎn)生的光路偏折，有利于單元模塊的串聯(lián)放大。
[0024] 圖2為浸沒式冷卻固體激光器匹配液流動(dòng)循環(huán)示意圖。由于固態(tài)激光系統(tǒng)在泵浦 過程中的斯塔克斯譜移、量子虧損、無用泵浦吸收等原因，會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱，導(dǎo)致增益介 質(zhì)的熱透鏡、應(yīng)力、退偏、雙折射，影響激光器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明采用折射率匹配冷卻液， 對(duì)增益介質(zhì)產(chǎn)生的廢熱實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)流動(dòng)管理，有效的降低了廢熱的累積。本方案采用與石英 在1064納米折射率匹配的四氯化碳為冷卻液體，該液體對(duì)808納米和1064納米的光波幾 乎不吸收，大大降到了冷卻液體對(duì)泵浦光和輸出激光的損耗。激光增益介質(zhì)5完全浸沒在 四氯化碳中，經(jīng)流動(dòng)增益池4上的出液口 6-b到達(dá)熱交換器9中，從而對(duì)從增益體系中帶出 的廢熱進(jìn)行交換，降低冷卻液的溫度。然后，冷卻液進(jìn)入儲(chǔ)液池10,經(jīng)螺旋泵11給液體提供 一定流速，經(jīng)流速控制器12將液體流速控制在2m/s，經(jīng)進(jìn)液口 6-a到達(dá)流動(dòng)增益池，完成整 個(gè)流動(dòng)冷卻循環(huán)過程。
[0025] 采用兩臺(tái)808納米半導(dǎo)體陣列激光器，分布于流動(dòng)增益池的兩側(cè)，泵浦頻率為1赫 茲，泵浦脈寬為200微秒，泵浦光經(jīng)光學(xué)整形后將能量集中在10*10_ 2的一個(gè)面上，對(duì)激光 增益介質(zhì)進(jìn)行脈沖泵浦，流動(dòng)液體的流速為2m/s，實(shí)現(xiàn)了 1064納米的穩(wěn)定激光輸出（見圖 3)。通過調(diào)整泵浦能量，采用能量計(jì)探頭獲得了不同泵浦能量條件下的激光輸出能量，并獲 得了激光器的斜率效率為30% (見圖4)。
【權(quán)利要求】
1. 一種浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：包括流動(dòng)增益池、與流動(dòng)增益池依次連 接的熱交換器、折射率匹配液儲(chǔ)液池、流動(dòng)循環(huán)泵和流量控制器；所述流動(dòng)增益池兩端分別 通過折射率匹配液出口和折射率匹配液進(jìn)口與熱交換器和流量控制器連接從而形成閉路 的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；所述流動(dòng)增益池外部還設(shè)置有諧振腔與半導(dǎo)體激光泵浦源； 所述諧振腔由全反射鏡和輸出鏡組成； 所述折射率匹配液儲(chǔ)液池內(nèi)裝有折射率匹配液； 所述流動(dòng)增益池內(nèi)部在通光方向設(shè)置有呈布儒斯特角"八字型"對(duì)稱擺放的激光增益 介質(zhì)；流動(dòng)增益池四周還設(shè)置有通光窗口； 所述激光增益介質(zhì)為片狀摻釹激光玻璃或晶體材料，且增益介質(zhì)的泵浦光和激光輸出 方向垂直。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述半導(dǎo)體激光泵浦 源波長(zhǎng)為800?808納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述激光增益介 質(zhì)厚度為〇· 1?1〇_，邊長(zhǎng)為10?1〇〇_。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述折射率匹配液為 有機(jī)溶劑或其混合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述全反鏡為平面鏡 鍍1048?1070納米全反膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述輸出鏡為凹面鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述通光窗口鍍有 800?808納米增透膜石英窗口片。
【文檔編號(hào)】H01S3/16GK104064955SQ201410264286
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】佘江波, 彭波, 聶榮志, 趙朋飛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所