一种用于热容式玻璃激光器的冷却器的设计方法

摘要

本发明公开了一种用于热容式玻璃激光器的冷却器的设计方法，通过泵浦灯的平均泵浦能量和重复频率，获取独立冷却单元中所有泵浦灯的总发热功率，然后根据冷却水的温升和总发热功率获得冷却水的水流量和水箱的容积，最后可根据冷却水的水流量设计冷却器的冷却腔体，及根据水箱的容积设计水箱，这样设计得到的冷却器对脉冲氙灯具有良好的冷却效果；冷却器体积小、轻便，冷却水可循环使用，适用于越野环境；冷却器中冷却水的温升在热容式玻璃激光器工作间隙可用现有的制冷器将冷却器中的冷却水中的热量转移出去。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热容式玻璃激光器，尤其是涉及一种用于热容式玻璃激光器的冷却 器的设计方法。

背景技术

热容式(即间断式)玻璃激光器中的热容式钕玻璃激光器可输出高平均功率激光， 激光输出脉冲能量千焦耳、重复频率10Hz、平均功率万瓦、峰值功率可达百万瓦以上。 热容式(棒状、片状或板条)钕玻璃激光器中的泵浦源(一般采用脉冲氙灯)在一定的 温度范围内工作才能使激光器具有较好的输出特性，尤其是某些脉冲氙灯的工作温度要 求在50～80°之间，但热容式钕玻璃激光器在实际工作中，其泵浦源产生的能量往往使 其温度超出其工作温度范围，这不仅影响了激光器的输出特性，而且也限制了激光器的 连续工作时间。热容式钕玻璃激光器通常采用冷却系统对脉冲氙灯进行冷却，但现有的 冷却系统体积庞大、结构复杂，且对脉冲氙灯的冷却效果也不是非常理想，直接影响了 激光器的输出特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于热容式玻璃激光器的冷却器的设计方 法，该设计方法设计得到的冷却器对脉冲氙灯具有良好的冷却效果。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于热容式玻璃激光器的冷却 器的设计方法，包括以下步骤：

①根据热容式玻璃激光器中的每个主要由n个泵浦灯组成的独立冷却单元中的每 个泵浦灯的平均泵浦能量和重复频率，计算每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热 功率，记为Q₀，Q₀＝0.4×E_in×f×n  (J/S)，其中，E_in表示每个泵浦灯的平均泵浦能 量，f表示每个泵浦灯的重复频率，n≥1；

②令设置于每个独立冷却单元外的冷却器的冷却腔体中的冷却水在工作时的温升 为ΔT，根据每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率Q₀计算温升不超过ΔT时， 每秒钟冷却器的冷却腔体中的冷却水的水流量，记为m，

③根据每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率Q₀和冷却器的冷却腔体中 的冷却水在工作时的温升ΔT，计算与冷却腔体相连接的冷却器的水箱的容积，记为M， 其中，N表示热容式玻璃激光器中的独立冷却单元的个数， N′表示热容式玻璃激光器中泵浦灯的总个数，n表示每个独立冷却单元中包 含的泵浦灯的个数，τ表示热容式玻璃激光器的运行时间。

所述的热容式玻璃激光器为热容式棒状玻璃激光器或热容式片状玻璃激光器时，每 个所述的独立冷却单元仅由1个泵浦灯组成，所述的冷却腔体为套设于泵浦灯外的冷却 管，在所述的步骤②之后，根据泵浦灯的外半径、位于泵浦灯的外壁与冷却管的内壁之 间的冷却水层的厚度及冷却水的流速，计算冷却管的内半径，记为(a+γ)， 其中，a表示泵浦灯的外半径，γ表示位于泵浦灯的外壁与 冷却管的内壁之间的冷却水层的厚度，V表示冷却水的流速。

所述的热容式玻璃激光器为热容式板条玻璃激光器时，所述的冷却腔体主要由矩形 光聚光器和掺铈石英玻璃片构成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过泵浦灯的平均泵浦能量和重复频率，获 取独立冷却单元中所有泵浦灯的总发热功率，然后根据冷却水的温升和总发热功率获得 冷却水的水流量和水箱的容积，最后可根据冷却水的水流量设计冷却器的冷却腔体，及 根据水箱的容积设计水箱，这样设计得到的冷却器对脉冲氙灯具有良好的冷却效果；冷 却器体积小、轻便，冷却水可循环使用，适用于越野环境；冷却器中水的温升在热容式 玻璃激光器工作间隙可用现有的制冷器将冷却器中的冷却水中的热量转移出去。

附图说明

图1为热容式棒状玻璃激光器或热容式片状玻璃激光器的独立冷却单元的示意图；

图2为热容式板条玻璃激光器的独立冷却单元的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

一种用于热容式棒状钕玻璃激光器的冷却器的设计方法，其包括以下步骤：

①设定4个泵浦灯(N′＝4)泵浦热容式棒状钕玻璃激光器，如图1所示热容式棒 状钕玻璃激光器中的每个独立冷却单元主要由1个泵浦灯11组成，冷却器包括冷却腔 体和与冷却腔体相连接的水箱，冷却腔体为冷却管12，冷却管12上设置有与水箱相连 接的进水水嘴13和出水水嘴14。根据每个独立冷却单元中的泵浦灯的平均泵浦能量和 重复频率，计算每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率，记为Q₀， Q₀＝0.4×E_in×f×n  (J/S)，其中，E_in表示每个泵浦灯的平均泵浦能量，f表示每个 泵浦灯的重复频率，n＝1。在此，设每个泵浦灯的平均泵浦能量E_in＝17KJ，每个泵浦 灯的重复频率f＝5Hz  ，这样根据计算得到 Q₀＝0.4×17KJ×5Hz×1＝34KW＝34KJ/S＝34×10³J/S。

②令设置于每个独立冷却单元外的冷却器的冷却腔体中的冷却水在工作时的温升 为ΔT，根据每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率Q₀计算温升不超过ΔT时， 每秒钟冷却器的冷却腔体中的冷却水的水流量，记为m，在 此，冷却腔体为套设于泵浦灯外的冷却管，假设冷却水在工作时的温升ΔT＝10℃，则 可计算得到冷却管中的冷却水的水流量大于等于如可取 m＝50(升/分钟)。

然后根据泵浦灯的外半径、位于泵浦灯的外壁与冷却管的内壁之间的冷却水层的厚 度及冷却水的流速，计算冷却管的内半径，记为(a+γ)，其 中，a表示泵浦灯的外半径，γ表示位于泵浦灯的外壁与冷却管的内壁之间的冷却水层 的厚度，V表示冷却水的流速。在此，设泵浦灯的外半径a＝2cm，冷却水的流速 V＝150(cm/s)，m＝816(cm³/s)，可计算得到冷却管的内半径 及位于泵浦灯的外壁与冷却管的内壁之间的 冷却水层的厚度γ≈2.4-2≈0.4cm，这样在实际设计时，可选用外直径为5.2cm、管壁 厚为0.2cm的掺铈石英管作为冷却管。

③根据每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率Q₀和冷却器的冷却腔体即 冷却管中的冷却水在工作时的温升ΔT，计算与冷却腔体相连接的冷却器的水箱的容积， 记为M，其中，N表示热容式玻璃激光器中的独立冷却单元的个 数，N′表示热容式玻璃激光器中泵浦灯的总个数，n表示每个独立冷却单元 中包含的泵浦灯的个数，τ表示热容式玻璃激光器的运行时间。在此，假设热容式玻璃 激光器的运行时间τ为10S，则水箱的容积升，实际设 计时可选用长、宽、高分别为30cm、30cm、40cm的水箱，可根据冷却管内水通截面积， 计算截面相近的冷却管与水箱相连接。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于本实施例为用于热容式片状钕玻璃激 光器的冷却器的设计方法，其具体步骤如下：

①设定4个泵浦灯(N′＝4)泵浦热容式片状钕玻璃激光器，如图1所示热容式片 状钕玻璃激光器中的每个独立冷却单元主要由1个泵浦灯11组成，冷却器包括冷却腔 体和与冷却腔体相连接的水箱，冷却腔体为冷却管12，冷却管12上设置有与水箱相连 接的进水水嘴13和出水水嘴14。根据每个独立冷却单元中的泵浦灯的平均泵浦能量和 重复频率，计算每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率，记为Q₀， Q₀＝0.4×E_in×f×n  (J/S)，其中，E_in表示每个泵浦灯的平均泵浦能量，f表示每个 泵浦灯的重复频率，n＝1。在此，设每个泵浦灯的平均泵浦能量E_in＝11KJ，每个泵浦 灯的重复频率f＝5Hz  ，这样根据计算得到 Q₀＝0.4×11KJ×5Hz×1＝22KW＝22KJ/S＝22×10³J/S。

②令设置于每个独立冷却单元外的冷却器的冷却腔体中的冷却水在工作时的温升 为ΔT，根据每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率Q₀计算温升不超过ΔT时， 每秒钟冷却器的冷却腔体中的冷却水的水流量，记为m，在 此，冷却腔体为套设于泵浦灯外的冷却管，假设冷却水在工作时的温升ΔT＝10℃，则 可计算得到冷却管中的冷却水的水流量大于等于如可取 m＝530(cm³/s)≈32(升/分钟)。

然后根据泵浦灯的外半径、位于泵浦灯的外壁与冷却管的内壁之间的冷却水层的厚 度及冷却水的流速，计算冷却管的内半径，记为(a+γ)，其 中，a表示泵浦灯的外半径，γ表示位于泵浦灯的外壁与冷却管的内壁之间的冷却水层 的厚度，V表示冷却水的流速。在此，设泵浦灯的外半径a＝2cm，冷却水的流速 V＝150(cm/s)，m＝530(cm³/S)，可计算得到冷却管的内半径 这样在实际设计时，可选用壁厚0.2cm、外直径 为5cm的掺铈石英管作为冷却管。

③根据每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率Q₀和冷却器的冷却腔体即 冷却管中的冷却水在工作时的温升ΔT，计算与冷却腔体相连接的冷却器的水箱的容积， 记为M，其中，N表示热容式玻璃激光器中的独立冷却单元的个 数，N′表示热容式玻璃激光器中泵浦灯的总个数，n表示每个独立冷却单元 中包含的泵浦灯的个数，τ表示热容式玻璃激光器的运行时间。在此，假设热容式玻璃 激光器的运行时间τ为10S，则水箱的容积升，实际设 计时可选用长、宽、高分别为25cm、25cm、34cm的水箱，可根据冷却管内水通截面积， 计算截面相近的冷却管与水箱相连接。

如果选用容积为30升的水箱，则冷却器的冷却腔体即冷却管中的冷却水在工作结 束时的温升ΔT＝7℃。

实施例三：

本实施例为用于热容式板条钕玻璃激光器的冷却器的设计方法，其具体步骤如下：

①设定10个泵浦灯泵浦热容式板条钕玻璃激光器，如图2所示热容式板条钕玻璃 激光器中的每个独立冷却单元由5个泵浦灯22组成，共2个独立冷却单元，冷却器包 括冷却腔体和与冷却腔体相连接的水箱，冷却腔体主要由镀银矩形光聚光器21和厚度 为0.3cm的掺铈石英玻璃片23构成，镀银矩形光聚光器21与掺铈石英玻璃片23之间 用胶进行密封连接构成一个用于容纳冷却水的冷却腔体，矩形光聚光器21上设置有与 水箱相连接的进水水嘴24和出水水嘴25。根据每个独立冷却单元中的泵浦灯的平均泵 浦能量和重复频率，计算每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率，记为Q₀， Q₀＝0.4×E_in×f×n  (J/S)，其中，E_in表示每个泵浦灯的平均泵浦能量，f表示每个 泵浦灯的重复频率，n＝5。设每个泵浦灯的平均泵浦能量E_in＝2KJ，每个泵浦灯的重 复频率f＝5Hz  ，这样根据计算得到 Q₀＝0.4×2KJ×5Hz×5＝20KW＝20KJ/S＝20×10³J/S。

②令设置于每个独立冷却单元外的冷却器的冷却腔体中的冷却水在工作时的温升 为ΔT，根据每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率Q₀计算温升不超过ΔT时， 每秒钟冷却器的冷却腔体中的冷却水的水流量，记为m，在 此，假设冷却水在工作时的温升ΔT＝10℃，则可计算得到冷却管中的冷却水的水流量 大于等于如可取m＝600(cm³/S)＝36(升/分钟)。

③根据每个独立冷却单元中所有泵浦灯的总的发热功率Q₀和冷却器的冷却腔体即 冷却管中的冷却水在工作时的温升ΔT，计算与冷却腔体相连接的冷却器的水箱的容积， 记为M，其中，N表示热容式玻璃激光器中的独立冷却单元的个 数，N′表示热容式玻璃激光器中泵浦灯的总个数，n表示每个独立冷却单元 中包含的泵浦灯的个数，τ表示热容式玻璃激光器的运行时间。在此，假设热容式玻璃 激光器的运行时间τ为10S，则每个独立冷却单元对应的水箱的容积 升，实际设计时可选用容积为10升的水箱，两个独立 冷却单元的水箱的总容积应为20升，设冷却水的流速仍为150(cm/s)，流量除以流速 得到冷却管内水通截面积，从而确定各个独立冷却单元相连接的进水水嘴和出水水嘴的 内直径约为2cm。

如果选用总容积为30升的水箱，则冷却器的冷却腔体即冷却管中的冷却水在工作 结束时的温升ΔT＝7℃。