本发明专利技术提出了一种激光器同轴非稳腔的输出窗口冷却装置，该冷却装置包括高速气流产生器（１）、连接管（２）、涡流管（３）、气流管（５）和窗口固定装置（６），该窗口固定装置（６）具有环形槽（１０），多个节流孔（１１）均布于该环形槽（１０）内，所述高速气流产生器（１）产生的气流通过连接管（２）输入涡流管（３），气流在涡流管（３）中一部分转化为冷却气流，该冷却气流经过气流管（５）和环形槽（１０）内的节流孔（１１）均匀喷射到所述激光器同轴非稳腔输出窗口上，实现对激光器同轴非稳腔输出窗口的冷却。本发明专利技术系统体积小、稳定性好、维护方便和可无限制连续工作，可以非常有效地控制镜面热畸变的大小。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光光学谐振腔领域，具体涉及一种激光器同轴非稳腔输出窗口的冷 却装置，主要用于激光功率高、传输距离远、不能水冷等场合的激光同轴非稳腔输出窗口冷 却。
技术介绍
长期以来，正支望远镜式虚共焦非稳腔由于具有模体积大，能量分布均勻，高损 耗，横模鉴别能力强和近乎理想的平面波输出等巨大的优点，在高功率激光器上得到了广 泛的应用。由于正支虚共焦非稳腔输出光束为环状光束，因此存在着高功率运转时，常用的 流体冷却腔镜方式存在着流体流道暴露在通光口径之中的问题，传统的高功率激光器谐振 腔输出窗口采用的解决方案是在凸反射镜的前方光路上以45°斜角插入一片环状的刮刀 镜，获得与光轴正交的侧向输出。然而激光对于刮刀镜是45°的斜入射而非正入射，结果造 成所需的膜层反射率要更高于正入射。鉴于当前的镀膜技术，进一步提高膜层的反射率已 经变得非常困难，因此必须要从冷却方式上有所创新，去掉热变形极为严重的45°刮刀镜， 简化激光器的结构，提高反射镜本身的散热能力，才有可能最终解决限制进一步提高激光 器输出功率的技术难题。同轴非稳腔输出窗口将反射镜与晶体输出窗口紧密结合为一体， 去掉了 45°刮刀镜这一热吸收变形的重要因素，简化了激光器结构，又获得了理想的同轴 输出光束。同轴非稳腔激光器高能运转时，位于输出窗口中心部分的凸镜会吸收部分激光能 量产生温升和热畸变，这不仅引起环形输出窗口的热畸变产生相差，更会导致凸镜热变形 后镜面形状偏离设计面型，输出光束质量变差。随着激光功率越来越高，这个问题越来越突 出。对于脉冲激光，由于激光器的平均功率越来越高，单脉冲能量越来越大，激光窗口凸镜 短时间内承受的热也越来越大，产生的不均勻热变形和相位畸变更为严重。因此，减少窗口 凸镜的不均勻热变形是高功率激光技术中的关键技术。由于激光器同轴非稳腔输出窗口的凸镜被环形强激光包围，对凸镜的主动冷却非 常困难。对于这种暴露在通光口径之中的腔镜冷却问题目前主要有三种技术途径自然冷 却方式；对镜面进行主动吹风冷却；采用相变制冷方式对镜面进行冷却。自然冷却方式采用将环形输出光中央的凸镜与外部散热片相连，通过散热片间空 气的对流来冷却凸镜。该方法简单易行，不需要额外的冷却器件，但换热效果有限，仅适用 于功率不大的激光器。主动吹风方式一般通过气体压差的方式将冷却气体吹反射镜的表面，带走反射镜 表面的热量，达到冷却的目的。耿玉民等人设计了一种在高功率气体激光器密封循环气体 内的吹风装置，将冷却了的放电工作介质吹向反射镜或输出窗口的薄膜表面，以达到镜面 冷却的目的(中国专利申请号200810051545.X)，该方法可用于高功率TEA C02激光器。另 外一种辅助气体冷却方式是通过辅助气体管路将冷却气体沿透镜座切向方向导入透镜表 面，在透镜表面形成涡流，达到对透镜中心冷却的目的(中国专利申请号91233062. 7)。一般的主动吹风方式的冷却气体采用室温大气或为气体配备专用冷却系统，室温大气的冷却 效果不太理想，而对气体冷却则需要添加专用的冷却系统，管道连接也相对复杂。1991年，美国技术公司的John Bluege和Lake Park等人专利技术了“固-液相变冷 却镜”(US5076348)。该专利技术采用了超薄镜结构，但基体材料不是铜，而是光学加工性能优 良的硅；也采用了主动冷却技术，但不需附加冷却系统，仅仅依靠储存于镜腔内相变材料的 相变吸热过程达到冷却目的。他们研制的相变致冷硅镜，镜体尺寸为100mmX 100mm,镜面 厚度仅1. 5mm,当镜面反射率为99. 9%时，在1MW强激光辐射下，镜面热变形量为0. 05 u m, 一次连续工作时间可达47s，基本上能满足百万瓦级氧碘化学激光器对全反腔镜的技术要 求。程祖海等人也相继专利技术了“相变致冷超薄多层镜”，“相变致冷窗口”(中国专利技术专利 ZL95124931. 2，ZL98109199. X)，其原理都是采用物质相变吸热而降低镜面和窗口的温升。 通常相变物质采用相变点在25 30°C的物质，如石蜡、金属稼等。该类镜子在强激光作用 下已显示出如下问题相变物质的温度是一定的，难以适应多变的环境气温；相变物质的 导热不够快，当紧挨镜体固体基体边沿的相变物质熔化后，离基体较远的相变物质熔化较 慢，难以满足高功率激光特别是脉宽越来越窄的高功率脉冲激光的要求；为了存储相变物 质，通常是在基体材料内激光辐照的背面打孔或者切槽来实现，由于加工工艺的限制，相变 物质的存量有限，无法满足越来越高的激光功率和越来越长的激光作用时间。涡流管现象是1930年由法国物理学家乔治.朗格发现。涡流管工作原理是高速的 气流沿切线方向进入涡流室，便在涡流室的周边部分形成自由涡流，其旋转质量角速度在 涡流室边缘部分较小，而接近轴心部分则越来越大，于是在涡流室中沿半径方向形成了不 同角速度的气流层。由于气流层之间的摩擦，内层的角速度要降低而外层的角速度要提高， 因而内层气流便将一部分动能传给外层气流。涡流室中心部分的气体当经孔板流出时便具 有了较低的温度；而边缘部分的热气体当流经热端管子时，由于摩擦的存在，使动能又转化 为热能，因而，经控制阀流出就有了较高的温度。涡流管制冷具有设备简单，维护方便，使用 灵活，对气体纯度无特殊要求，可采用常用的易得气体，如氮气、二氮化碳等气体作工质。冷 却气体温度和流量可通过涡流管进气压力和位于热端的温度控制阀进行调节。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种激光器同轴非稳腔输出窗口的冷却装置，该装置采用 涡流管输出的冷却气体对激光输出窗口进行强冷却，以带走输出窗口吸收的激光能量，从 而抑制窗口的温升和变形。该冷却装置特别适合于由于光路的限制而无法进行水冷的大功 率光学器件，减小激光腔镜特别是激光输出窗口的热变形。采用的具体技术方案如下一种冷却装置，用于对激光器的同轴非稳腔输出窗口进行冷却，该冷却装置包括 高速气流产生器、连接管、涡流管、气流管和窗口固定装置，该窗口固定装置具有环形槽，多 个节流孔均布于该环形槽内，所述高速气流产生器产生的气流通过连接管输入涡流管，气 流在涡流管中一部分转化为冷却气流，该冷却气流经过气流管和环形槽内的节流孔均勻喷 射到所述激光器同轴非稳腔输出窗口上，实现对激光器同轴非稳腔输出窗口的冷却。作为本专利技术的进一步改进，所述的涡流管包括进气口、涡流室、冷却气体出口和热 气体出口，所述高速气流产生器产生的气流通过连接管沿切线方向经涡流进气口进入涡流室，气流在该涡流室内产生出温度不同的两束气流，其中温度较低的气流作为冷却气流从 所述冷却气体出口输出，温度较高的气流从所述热气体出口排出。作为本专利技术的进一步改进，所述的冷却装置还包括夹持器，用于将涡流管固定于 所述窗口固定装置上。作为本专利技术的进一步改进，所述激光器同轴非稳腔输出窗口包括窗口、凸镜和散 热棒，所述冷却气流喷射到窗口、凸镜和散热棒上。本专利技术利用涡流管冷却系统体积小、稳定性好、维护方便和可无限制连续工作的 优点，设计了涡流管窗口冷却装置对窗口及位于同轴非稳腔输出窗口的凸镜及散热棒进行 冷却，克服了同轴非稳腔无法进行水冷的困难。工作时冷气流均勻导向凸镜的散热棒、窗口 及凸镜，对散热棒、窗口及凸镜进行的低温强迫对流冷却，从而实现对窗口及本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种冷却装置，用于对激光器的同轴非稳腔输出窗口进行冷却，该冷却装置包括高速气流产生器（１）、连接管（２）、涡流管（３）、气流管（５）和窗口固定装置（６），该窗口固定装置（６）具有环形槽（１０），多个节流孔（１１）均布于该环形槽（１０）内，所述高速气流产生器（１）产生的气流通过连接管（２）输入涡流管（３），气流在涡流管（３）中一部分转化为冷却气流，该冷却气流经过气流管（５）和环形槽（１０）内的节流孔（１１）均匀喷射到所述激光器同轴非稳腔输出窗口上，实现对激光器同轴非稳腔输出窗口的冷却。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：程祖海，陈佳元，余文峰，卢宏，叶克飞，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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