一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器。其中，高功率固体激光增益模块包括板条激光增益介质、板条主动热沉、低温漂半导体激光泵浦源和泵浦源主动热沉。该装置利用液态金属的高导热性、可实现同等流速下比水更高的层流换热能力；配合低温漂半导体激光泵浦源构成半导体激光阵列实现运转过程中的波长漂移抑制，保证出光过程中增益介质对泵浦激光良好的吸收波长匹配；与板条激光增益介质和低温漂半导体激光泵浦源直接焊接的填充有液态金属冷却工质的多通道层流换热主动热沉可实现对大高宽比板条激光增益介质与半导体激光阵列的实时高效均匀冷却，保证装置室温下的稳定运转，实现高功率高光束质量激光输出。

A high power solid state laser gain module, laser oscillator and laser amplifier

【技术实现步骤摘要】
一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器
本专利技术涉及激光器
，尤其是涉及一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器。
技术介绍
固体板条激光器不仅具有高输出功率，而且具备高光束质量、电光效率高等优点，是目前高功率激光
的主要发展方向。随着功率的提升,对增益介质热管理的要求也不断提高。传统板条激光器中对增益介质的冷却技术一般会采用水冷微通道散热技术，这种技术中的冷却液一般为水，而水中容易含有离子，随着使用时间的增长，容易出现杂质，杂质过多容易对微通道的导电性造成影响，并且容易堵塞微通道，导致冷却液体无法快速流通，影响散热。因此，在使用这种技术对增益介质冷却时，为了减少产生杂质，需要对冷却液的纯度和导电性有着严格的要求。为了解决现有的水冷微通道散热技术容易产生杂质，导致堵塞微通道的弊端，通常现有技术的冷却系统需要设置有过滤器和去离子装置，一方面，会导致冷却系统体积大，可维护性降低；另一方面，还需要定期清理过滤器中的杂质或定期更换过滤器和去离子装置。因此，这种冷却系统不适合长期的应用，更不适合应用到某些无人值守的特定场景中，例如卫星中设置有激光器，如采用现有的冷却系统为激光器的增益介质散热，则无法定期更换冷却系统中的过滤器和去离子装置，造成激光器使用的期限短。
技术实现思路
(一)专利技术目的本专利技术的目的是提供一种高功率固体激光增益模块、激光振荡器和激光放大器，使用液态金属冷却工质为激光增益介质散热，液态金属作为相变储热材料，具有发挥热容大、导热系数高、熔点低、挥发性低等显著优点，采用液态金属为激光增益介质散热，相比于现有的冷却液散热，能够降低系统对温控的严格要求，而且液态金属相比于现有的冷却液具有兼容性，不容易产生杂质，无需设置过滤器和去离子装置，使得冷却系统不需要定期更换工质或更换过滤器和去离子装置，能够延长激光器的使用寿命，并且能够应用到无人值守的场景。(二)技术方案为解决上述问题，本专利技术的第一方面提供了一种高功率固体激光增益模块，包括：板条激光增益介质、板条主动热沉、低温漂半导体激光泵浦源、泵浦源主动热沉；其中，所述板条激光增益介质,用于出射激光；板条主动热沉，设置在所述板条激光增益介质的表面，所述板条主动热沉内部设有第一宏通道；所述第一宏通道用于容纳第一液态金属冷却工质，以通过所述第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质散热；低温漂半导体激光泵浦源，用于将其射出的呈阵列排布(包括线阵和面阵)的激光阵列传输至所述板条激光增益介质中，为所述板条激光增益介质提供泵浦；所述泵浦源主动热沉，设置在所述低温漂半导体激光泵浦源的表面，所述泵浦源主动热沉内设有第二宏通道，所述第二宏通道用于容纳第二液态金属冷却工质，以通过所述第二液态金属冷却工质为所述低温漂半导体激光泵浦源散热。进一步地，所述第一宏通道的个数为多个，多个所述第一宏通道为层级结构，每层至少设置有2个所述第一宏通道，同一层中相邻的所述第一宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第一宏通道的界面直径≥0.5mm；和/或所述第二宏通道的个数为多个，多个所述第二宏通道为层级结构，每层至少设置有2个所述第二宏通道，同一层中相邻的所述第二宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第二宏通道的界面直径≥0.5mm。进一步地，所述板条主动热沉设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流入的第一端口；和/或所述板条主动热沉设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流出的第二端口；和/或所述泵浦源主动热沉设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流入的第三端口；和/或所述泵浦源主动热沉设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流出的第四端口。进一步地，所述板条主动热沉包括第一驱动装置和第一换热装置；所述第一驱动装置，用于控制所述第一液态金属冷却工质的流速；所述第一换热装置，用于控制所述第一液态金属冷却工质的热量交换；和/或，所述泵浦源主动热沉，包括第二驱动装置和第二换热装置；所述第二驱动装置用于控制所述第二液态金属冷却工质的流速；所述第二换热装置，用于控制所述第二液态金属冷却工质的热量交换。进一步地，所述低温漂半导体激光泵浦源，包括呈阵列排布的低温漂系数的LD(LaserDiode)单元，每个所述低温漂系数的LD单元的温漂系数优选为≤0.07nm/K；和/或,所述LD单元为垂直腔面发射激光器VCSEL(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)芯片或锁波长边发射半导体巴条(bar)。进一步地，所述板条主动热沉焊接在所述板条激光增益介质的表面，可选的，所述板条主动热沉与所述板条激光增益介质之间采用金属铟焊料焊接；和/或进一步地，每个所述第一宏通道的内壁经过表面氧化或氮化处理；和/或每个所述第二宏通道的内壁经过表面氧化处理或氮化处理。进一步地，所述第一液态金属冷却工质为室温液态金属Ga、In、Sn单质中的一种或至少两种形成的合金；和/或所述第二液态金属冷却工质为室温液态金属Ga、In、Sn单质中的一种或至少两种形成的合金。进一步地，所述泵浦源主动热沉焊接在所述低温漂半导体激光泵浦源的表面；每个所述LD单元的表面相对设置有一个所述第二宏通道，多个所述第二宏通道形成一个整体，优选的，多个所述第二宏通道采用焊接或O圈密封形式一个整体。进一步地，所述泵浦源主动热沉和所述低温漂半导体激光泵浦源之间还设置有绝缘层。进一步地，所述绝缘层为BeO、AlN或人造金刚石diamond中的一种。进一步地，还包括：泵浦源整形耦合模块，用于对所述低温漂半导体激光泵浦源射出的激光光束进行整形，以减少光束的快轴和慢轴方向的发散角，进而提升泵浦亮度，使得所述激光光束耦合传输至所述板条激光增益介质中。本专利技术的第二方面，还提供了一种激光振荡器，包括上述第一方面提供的高功率固体激光增益模块。本专利技术的第三方面，还提供了一种激光放大器，包括上述第一方面提供的高功率固体激光增益模块。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：(1)本专利技术实施方式提供的高功率固体激光增益模块，设置有板条主动热沉，利用板条主动热沉中的第一宏通道中的第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质散热，相比于现有技术，第一方面，本专利技术实施提供的增益模块，无需定期更换冷却液，也无需定期更换或清洗过滤器和去离子装置，使得冷却系统的结构简单体积变小，便于安装使用及维护。第二方面，由于采用第一液态金属冷却工质，液态金属冷却工质具有导热系数高、熔点低、挥发性低等显著优点，在真空和低温环境中具有很大的应用优势，发挥热容大、热导率高的优势，能够显著降低系统对温控的严苛要求，相比于冷却液冷却技术，换热的效果更好。第三方面，采用液态金属冷却工质进行散热，微通道内不容易杂质，使得增益模块的使用寿命增长，且能够适用于无人值守的场景，适用范围更广泛。(2)本专利技术实施方式提供的高功率固体激光增益模块，设置低温漂半导体激光泵浦源，通过第二液态金属冷却工质为低温漂半本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高功率固体激光增益模块，其特征在于，包括：/n板条激光增益介质(1)、板条主动热沉(2)、低温漂半导体激光泵浦源(3)、泵浦源主动热沉(4)；其中，/n所述板条激光增益介质(1),用于产生激光；/n所述板条主动热沉(2)，设置在所述板条激光增益介质(1)的表面，所述板条主动热沉(2)内部设有第一宏通道；所述第一宏通道用于容纳第一液态金属冷却工质，以通过所述第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质(1)散热；/n所述低温漂半导体激光泵浦源(3)，用于将其射出的呈阵列排布的激光光束从所述板条激光增益介质(1)的端面或侧面输入，为所述板条激光增益介质(1)提供泵浦；/n所述泵浦源主动热沉(4)，设置在所述低温漂半导体激光泵浦源(3)的表面，所述泵浦源主动热沉(4)内设有第二宏通道，所述第二宏通道用于容纳第二液态金属冷却工质，以通过所述第二液态金属冷却工质为所述低温漂半导体激光泵浦源(3)散热。/n

【技术特征摘要】
1.一种高功率固体激光增益模块，其特征在于，包括：
板条激光增益介质(1)、板条主动热沉(2)、低温漂半导体激光泵浦源(3)、泵浦源主动热沉(4)；其中，
所述板条激光增益介质(1),用于产生激光；
所述板条主动热沉(2)，设置在所述板条激光增益介质(1)的表面，所述板条主动热沉(2)内部设有第一宏通道；所述第一宏通道用于容纳第一液态金属冷却工质，以通过所述第一液态金属冷却工质为所述板条激光增益介质(1)散热；
所述低温漂半导体激光泵浦源(3)，用于将其射出的呈阵列排布的激光光束从所述板条激光增益介质(1)的端面或侧面输入，为所述板条激光增益介质(1)提供泵浦；
所述泵浦源主动热沉(4)，设置在所述低温漂半导体激光泵浦源(3)的表面，所述泵浦源主动热沉(4)内设有第二宏通道，所述第二宏通道用于容纳第二液态金属冷却工质，以通过所述第二液态金属冷却工质为所述低温漂半导体激光泵浦源(3)散热。


2.根据权利要求1所述的高功率固体激光增益模块，其特征在于，
所述第一宏通道的个数为多个，多个所述第一宏通道为层级结构，每层至少设置有2个所述第一宏通道，同一层中相邻的所述第一宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第一宏通道的界面直径≥0.5mm；和/或
所述第二宏通道的个数为多个，多个所述第二宏通道为层级结构，每层至少设置有2个所述第二宏通道，同一层中相邻的所述第二宏通道之间的间隔≥0.5mm，每个所述第二宏通道的界面直径≥0.5mm。


3.根据权利要求1或2所述的高功率固体激光增益模块，其特征在于，
所述板条主动热沉(2)设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流入的第一端口；和/或
所述板条主动热沉(2)设置有一个或多个供所述第一液态金属冷却工质流出的第二端口；和/或
所述泵浦源主动热沉(4)设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流入的第三端口；和/或
所述泵浦源主动热沉(4)设置有一个或多个供所述第二液态金属冷却工质流出的第四端口。


4.根据权利要求1或2所述的高功率固体激光增益模块，其特征在于，
所述板条主动热沉(2)包括第一驱动装置(2-1)和第一换热装置(2-2)；
所述第一驱动装置(2-1)，用于控制所述第一液态金属冷却工质的流速；
所述第一换热装置(2-2)，用于控制所述第一液态金属冷却工质的热量交换；和/或，
所述泵浦源主动热沉(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晶，王小军，韩琳，李雪鹏，薄勇，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