一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置制造方法及图纸

技术编号:21897642 阅读:21 留言:0更新日期:2019-08-17 16:50
本发明专利技术涉及固态激光技术领域,提供一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置,包括激光二极管阵列、激光二极管热沉、聚光腔、增益介质冷却模块和增益介质。对增益介质冷却模块设计热密集区自增压导流槽,定向地将冷却液导流至增益介质的热密集区;同时对增益介质设计热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器,可增大换热面并减小增益介质的能量集中度。基于上述两个创新设计点的侧面泵浦激光头装置,可简易且有效的改善热分布不均匀的问题,提高换热率,优化光束质量,并降低热应力致损的风险。

A Side Pumped Laser Head Device for Reducing Energy Concentration and Mitigating Thermal Effect

【技术实现步骤摘要】
一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置
本专利技术涉及固体激光领域,更具体地,涉及一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置。
技术介绍
基于LD泵浦的全固态激光具有电光效率高、波长短、能流密度高、结构紧凑、寿命长、运转灵活、无污染等特点,可普遍应用于工业生产、国防建设、科学研究等众多领域,是未来几十年内将发展成为攻击术产业、国防建设重大的关键高新技术,将极大带动相关产业的发展。对于棒状增益介质,LD泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种结构。端面泵浦的泵浦光束能与激光振荡模式相匹配,空间交叠程度高,有利于获得单模激光输出;但由于增益介质端面面积有限,难以从端面输入大功率泵浦光。侧面泵浦的泵浦光直接作用于增益介质侧面,受泵浦面积较大可以满足高功率泵浦,实现高功率激光输出。因此,侧面泵浦激光头技术是全固态激光器的核心技术之一,也是研制高功率、高光束质量激光的基础。侧面泵浦作用过程中,未被增益介质吸收的泵浦光转化为废热,进而会影响激光的输出性能。由于LD阵列侧面多为对称泵浦,增益介质在光泵浦对应的局部区域内热积累严重,在晶体剖面上呈现“N叶草”式分布。传统的侧面泵浦模块利用单层透明石英玻璃管对冷却液进行引流,通过冷却液与棒状增益介质侧面对流接触进行热传导,从而带走多余的热量。在低功率运行下,这种冷却结构可以提供有效的热缓解。但当泵浦功率增加时,传统冷却液均匀冷却方式不能显著改善增益介质热分布不均的情况。这种不均匀的热分布会导致光束质量恶化,降低转换效率,增加由热应力造成晶体损伤的风险,影响系统的安全性。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的是提供一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置。针对性的提高侧面泵浦激光器的散热效率,优化光束质量,降低增益介质内部的能量集中度,减小热应力致损的风险。(二)
技术实现思路
为了解决上述技术问题,本专利技术提供一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置,包括:激光二极管阵列、激光二极管热沉、聚光腔、增益介质冷却模块、增益介质。其特征在于,增益介质冷却模块开设热密集区自增压导流槽,增益介质表面开设热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器。激光二极管阵列、增益介质冷却模块的热密集区自增压导流槽对准增益介质表面开设的热效应自补偿抛面安装;聚光腔环绕增益介质冷却模块进行排布,其通光孔对准激光二极管阵列。进一步地,增益介质表面的热效应自补偿抛面的截面形状为扇形或矩形曲面,增益介质直径D与扇形或矩形曲面的最低点到增益介质端面圆心的距离D1比值为2~2.67。进一步地,增益介质表面的热效应自补偿抛面的纵向为直线或曲线;进一步地,热效应自补偿抛面上具有能量集中度分散器,可以呈“锯齿”状、“半球”状,或呈“椭球”状分布,用于反射或透射由激光二极管入射到增益介质的泵浦光到其他方向,分散增益介质内部泵浦光能量的集中度,增益介质直径D与所述能量集中度分散器横截面最大尺寸D2与比值为10~100。进一步地,针对N维阵列的侧面泵浦激光头,增益介质表面的热效应自补偿抛面的数量为n×N个。进一步地,热效应自补偿抛面的截面面积正比于增益介质表面的热积累强度。进一步地,增益介质冷却模块为双层套管结构,其外层套管与内层套管之间的中间夹层部分开设有热密集区自增压导流槽,内层套管在热密集区自增压导流槽的中心位置上开有水压式喷射孔,冷却液通过水压式喷射孔后其流向正对着增益介质的热效应自补偿抛面所在的位置。进一步地,水压式喷射孔的两端均开口,入水端的口径与出水端的口径之比大于10:1,其腹部位置用于暂存积水,以增大出水端的水压。进一步地,增益介质冷却模块的热密集区自增压导流槽在靠近出水口方向的端口被密封住,使冷却液在流出热密集区自增压导流槽时其流向被限定,即对准增益介质表面的热效应自补偿抛面进行喷射,形成湍流进而提高换热率。(三)有益效果本专利技术针对侧面泵浦激光头内部的增益介质冷却模块提出热密集区自增压导流槽设计,可将冷却液定向地导流至增益介质的热密集区,提高散热效率;同时针对增益介质提出热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器的设计,可增大换热面并减小增益介质的能量集中度。基于上述两个创新点,本专利技术提出的一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置简易且有效地解决了传统侧面泵浦激光模块内增益介质热分布不均的问题,并降低热应力致损的风险、优化光束质量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是根据本专利技术第一实施方式的降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置示意图;图2是根据本专利技术第一实施方式的增益介质冷却模块的剖面示意图;图3是根据本专利技术第二实施方式的增益介质表面结构示意图;图4是根据本专利技术第三实施方式的降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置。图中:10、激光二极管阵列;20、增益介质冷却模块;21、热密集区自增压导流槽;22、水压式喷射孔;30、增益介质;31、热效应自补偿抛面;32、能量集中度分散器;40、聚光腔。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。图1是根据本专利技术第一实施方式的降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置;如图1所示,该侧面泵浦激光头装置,包括:三向三列的激光二极管阵列10、激光二极管热沉、聚光腔40、增益介质冷却模块20、增益介质30。三向三列的激光二极管阵列10固定在激光二极管热沉上,用于发射泵浦光,激励所述增益介质30;可选地,激光二极管阵列10可以是三向多列的阵列,具体的激光二极管的列数依据增益介质30的长度以及所需要的最大泵浦功率来定;在一个优选的实施例中,聚光腔40环绕在增益介质冷却模块20周围,开设有三列通光孔,通光孔对准着激光二极管阵列10,用于通过泵浦光,并反射未被增益介质30吸收的泵浦光到增益介质30表面进行再次吸收,提高泵浦吸收效率;在一个优选的实施例中,增益介质冷却模块20的结构为双层套管,称为外层套管和内层套管,由石英材料制成。在外层套管与内层套管之间的中间夹层部分开设有对称分布的三个热密集区自增压导流槽21,在靠近出水口的方向上的热密集区自增压导流槽21槽口被密封住;内层套管在热密集区自增压导流槽21的中心位置开有一个水压式喷射孔22,以此限定侧面泵浦激光头内部的冷却液的流向,水压式喷射孔22的中本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置,包括:激光二极管阵列、激光二极管热沉、聚光腔、增益介质冷却模块、增益介质;其特征在于,所述增益介质冷却模块开设热密集区自增压导流槽,所述增益介质表面开设热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器;所述激光二极管阵列用于发射泵浦光,激励所述增益介质;所述激光二极管热沉的数量与所述激光二极管阵列的数量相同,用于固定所述激光二极管阵列;所述聚光腔表面开有通光孔,围绕在所述增益介质冷却模块周围,用于通过激光二极管阵列发射的泵浦光并反射未被增益介质吸收的泵浦光到增益介质表面进行重复吸收;所述增益介质冷却模块用于冷却所述增益介质,带走泵浦光未被所述增益介质利用而产生的废热;所述增益介质用于吸收泵浦光,提供粒子数反转,所述热效应自补偿抛面的截面形状为扇形或矩形曲面,所述增益介质直径D与所述扇形或矩形曲面的最低点到所述增益介质的端面圆心的距离D1比值为2~2.67;所述热效应自补偿抛面的外表面具有所述能量集中度分散器,所述能量集中度分散器呈“锯齿”状、“半球”状或呈“椭球”状分布,用于反射或透射由所述激光二极管阵列入射到增益介质的泵浦光到其他方向,分散所述增益介质内部泵浦光能量的集中度,所述增益介质直径D与所述能量集中度分散器横截面最大尺寸D2的比值为10~100;所述激光二极管阵列、所述热密集区自增压导流槽对准所述增益介质表面开设的热效应自补偿抛面安装。...

【技术特征摘要】
1.一种降低能量集中度缓解热效应的侧面泵浦激光头装置,包括:激光二极管阵列、激光二极管热沉、聚光腔、增益介质冷却模块、增益介质;其特征在于,所述增益介质冷却模块开设热密集区自增压导流槽,所述增益介质表面开设热效应自补偿抛面以及能量集中度分散器;所述激光二极管阵列用于发射泵浦光,激励所述增益介质;所述激光二极管热沉的数量与所述激光二极管阵列的数量相同,用于固定所述激光二极管阵列;所述聚光腔表面开有通光孔,围绕在所述增益介质冷却模块周围,用于通过激光二极管阵列发射的泵浦光并反射未被增益介质吸收的泵浦光到增益介质表面进行重复吸收;所述增益介质冷却模块用于冷却所述增益介质,带走泵浦光未被所述增益介质利用而产生的废热;所述增益介质用于吸收泵浦光,提供粒子数反转,所述热效应自补偿抛面的截面形状为扇形或矩形曲面,所述增益介质直径D与所述扇形或矩形曲面的最低点到所述增益介质的端面圆心的距离D1比值为2~2.67;所述热效应自补偿抛面的外表面具有所述能量集中度分散器,所述能量集中度分散器呈“锯齿”状、“半球”状或呈“椭球”状分布,用于反射或透射由所述激光二极管阵列入射到增益介质的泵浦光到其他方向,分散所述增益介质内部泵浦光能量的集中度,所述增益介质直径D与所述能量集中度分散器横截面最大尺寸D2的比值为10~100;所述激光二极管阵列、所述热密集区自增压导流槽对准所述增益介质表面开设的热效应自补偿抛面安装。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员:申玉郝婧婕宗楠常金全薄勇李如康张申金彭钦军许祖彦
申请(专利权)人:中国科学院理化技术研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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