一种低热致畸变的高功率直接液冷激光装置

摘要

本发明公开了一种低热致畸变的高功率直接液冷激光装置，涉及高能激光技术领域。该激光装置包括：第一泵浦源、第二泵浦源、第一增益模块、第二增益模块、第一谐振腔和第二谐振腔，且第一增益模块与第二增益模块之间为基于流场的反向串联。本发明针对直接液冷激光器热致像差较大而难以获得高光束质量的弊端，在有效匀化增益模块内部流场的同时采用复合结构增益晶体，有效抑制了波前畸变的边缘效应；同时采用激光冷却液反向流动的双模块串联的方式，实现对热致倾斜像差的自补偿，不仅具有热管理方式优秀以及输出激光光束质量好等优势，同时装置紧凑、小巧，在高功率激光器领域中具有重要的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及高能激光技术领域，尤其是一种低热致畸变的高功率直接液冷激光装置。

背景技术

高功率固体激光器以其输出能量大、峰值功率高、可靠性高、使用寿命长的优势，广泛应用于工业、医疗、科研、国防等领域。随着工业加工、军事国防等领域对激光器的需求增加，对激光器的功率、光束质量、体积和重量等指标提出了更高的要求。常规的固体激光器结构，如薄片激光器、板条激光器等，已经很难再功率体积（重量）比上满足新的需求。热管理是影响激光器功率、效率以及体积重量等指标的关键因素。随着激光器输出功率的提高，对热管理的要求更是进一步的提高。固体激光器常规的热沉式散热方式已经逐渐不能满足高功率激光器高效、快速散热的要求。为了满足散热需求，势必会增加散热结构件的体积和重量，且会增加系统的复杂性。因此，需要设计新型的固体激光器散热方式，开发新型的可实现紧凑化的固体激光器。

直接液冷是一种有效的热管理方式，将激光增益介质直接浸泡在冷却液中，通过液体的流动直接带走介质热量，从而实现快速、高效的热管理。在这种高效热管理的支撑下，可以将多片增益介质进行阵列式排列，实现分布式增益。这种增益方式的优点是可以在降低单片增益介质产热率的同时在单位体积内获得极高的增益，实现激光器的紧凑化、小型化。美国专利号US7366211B2公开了一种液体直接冷却的激光器，所述激光装置是一个将多片介质置于液体中，单通侧泵浦的方式实现激光输出，这是一种新的激光器设计思路。

但是对于直接液冷激光装置，流动的液体会影响激光传输，同时由于液体的热光系数（d

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供了一种低热致畸变的高功率直接液冷激光装置，实现增益装置内增益区的沿流场展向的高均匀流速分布。

本发明采用的技术方案如下：

一种低热致畸变的高功率直接液冷激光装置，所述装置包括：第一泵浦源、第二泵浦源、第一增益模块、第二增益模块、第一谐振腔和第二谐振腔，且第一增益模块与第二增益模块之间为基于流场的反向串联；

所述第一/第二增益模块包含装置外框(1)、装置内框(2)、导流锥(3)、对流场有匀化作用的两级分离的匀化格栅、键合复合晶体(6)、微流道分隔条(7)；

所述导流锥(3)用以将激光冷却液（10）导入和导出增益模块；所述键合复合晶体（6）用于作为增益介质获取高激光增益。

一方面，所述两级分离的匀化格栅包括平行叠放的垂直匀化格栅(4)和同向匀化格栅(5)；所述垂直匀化格栅(4)是格栅条(21)和格栅孔(22)的方向与键合复合晶体(6)的放置方向垂直，所述同向匀化格栅(5)是格栅条(23)和格栅孔(24)的方向与键合复合晶体(6)的放置方向平行。

所述两级分离的匀化格栅内部包含由不大于0.3mm厚的格栅条(21)分隔出的格栅孔(22)，所述匀化格栅的厚度不小于5mm。

所述垂直匀化格栅（4）的放置位置尽可能接近键合复合晶体(6)。

另一方面，所述键合复合晶体(6)由低热导率玻璃(17)、湍流耗散段晶体(18)、增益晶体(19)、流场恢复段晶体(20)组成，其中湍流耗散段晶体(18)、增益晶体(19)和流场恢复段晶体(20)依次通过键合方式连接，三段晶体之间为一体式加工；低热导率玻璃(17)通过胶结与各段晶体在对称面分别连接。

两个增益模块反向串联连接完成后，在光路方向上，第一泵浦源（110）和第二泵浦源（111）分别发出第一泵浦光(120)和第二泵浦光（121）后、分别通过第一双色镜（130）和第二双色镜（131）导入两个增益模块中，并采用端面泵浦的方式对增益模块进行抽运；全反射镜(14)与输出镜(15)分别位于增益模块整体的两端并形成激光谐振腔，腔内振荡激光(16)经过多次震荡放大达到阈值后经过激光输出镜（15）实现输出激光(26)的输出；同时，激光冷却液（10）经过导流锥(3)进入增益模块内完成匀化流通和冷却后输出。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、与现有技术相比，本发明提供的低热致畸变的高功率直接液冷激光增益装置重点采用分离的两极格栅匀化流场、复合晶体抑制边缘效应以及双模块反向串联对倾斜像差自补偿实现整个增益模块的低热致畸变，不仅具有热管理方式优秀以及输出激光光束质量好等优势，同时装置紧凑、小巧，在高功率激光器领域中具有重要的应用前景。

2、本发明采用的两级分离的匀化格栅栅孔的方向相互垂直，能够有效控制和匀化液体流场在非流动方向上的速度，提高流场在流动方向上的速度均匀性。

3、本发明采用的复合晶体实现对流场的进一步匀化以及边缘效应抑制，既能保证对湍流的进一步耗散，也避免由传统粘接工艺导致的反向台阶引入扰流；同时还能防止在增益边缘出现大温度梯度而产生大边缘效应。

4、本发明采用的两个流场反向的增益模块进行串联实现对沿流场方向的倾斜像差进行补偿，流动方向不同的模块串联使得一个模块的高温端与另一模块的低温区共路，从而实现倾斜像差自补偿，对激光增益介质进行冷却保证了有效的热管理。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明提供的一种低热致畸变的高功率直接液冷激光装置示意图；

图2是本发明提供的激光增益装置中涉及的垂直匀化格栅；

图3是本发明提供的激光增益装置中涉及的平行匀化格栅；

图4是本发明提供的激光增益装置中涉及的键合复合晶体；

图5是本发明提供的无低热导率玻璃和有低热导率玻璃的热致像差结果图。

图中：1-装置外框，2-装置内框，3-导流锥，4-垂直匀化格栅，5-平行匀化格栅，6-键合复合晶体，7-微流道分隔条，8-模块间连接管道，9-模块间连接螺丝，10-激光冷却液，110-第一泵浦源，111-第二泵浦源，120-第一泵浦光，121-第二泵浦光，130-第一双色镜，131-第二双色镜，14-全反射镜，15-激光输出镜，16-腔内振荡激光，17-低热导率玻璃，18-湍流耗散段晶体，19-激光增益晶体，20-流场恢复段晶体，21-垂直匀化格栅条，22-垂直格栅孔，23-平行匀化格栅条，24-平行格栅孔，25-激光通光窗口，26-输出激光，30-来流导流锥，31-去流导流锥。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，图1为一种低热致畸变的高功率直接液冷激光装置，包括第一泵浦源、第二泵浦源、第一增益模块、第二增益模块、激光谐振腔，且第一增益模块与第二增益模块之间为基于流场的反向串联。

其中，第一/第二增益模块包含装置外框(1)、装置内框(2)、导流锥(3)、两级分离的匀化格栅、键合复合晶体(6)、微流道分隔条(7)、激光冷却液(10)。

在增益模块中，导流锥(3)用以将激光冷却液（10）导入和导出增益模块。所述导流锥(3)具体包括来流导流锥（30）与去流导流锥（31），且来流导流锥（30）与去流导流锥（31）分别用于将激光冷却液（10）导入和导出增益模块。

对流场有匀化作用的所述两级分离的匀化格栅包括平行叠放的垂直匀化格栅(4)和同向匀化格栅(5)；所述垂直匀化格栅(4)是格栅条(21)和格栅孔(22)的方向与键合复合晶体(6)的放置方向垂直，所述同向匀化格栅(5)是格栅条(23)和格栅孔(24)的方向与键合复合晶体(6)的放置方向平行。

本实施例中通过将两级分离的匀化格栅平行叠放，使得两级匀化格栅的格栅孔的方向相互垂直，其优势在于当流场到达格栅处，两级格栅先后分别对两个方向的流场进行匀化，从而将非流动方向的速度匀化。例如，若流动方向为x，两级格栅可以将y、z方向的流动速度抑制，保证液体沿着x方向进行流动。

具体而言，如图2所示为垂直匀化格栅（4）的结构，特征在于垂直匀化格栅(4)内部包含由不大于0.3mm厚的格栅条(21)分隔出的数十个格栅孔(22)，格栅孔的方向与键合复合晶体(6)的摆放方向垂直。

如图3所示为同向匀化格栅(5)的结构示意，其结构与垂直匀化格栅（4）相似，不同之处在于同向匀化格栅(5)的格栅孔(24)与键合复合晶体(6)的摆放方向平行。

图2和图3中两种类型的匀化格栅的厚度，即沿液体流动方向的厚度，通常不小于5mm。另外，在本实施例中为了获得较好的匀化效果，通常将垂直匀化格栅（4）的放置位置尽可能接近晶体。

经过所述两级分离的匀化格栅后，液体在垂直于流动方向的速度减少了一个数量级，意味着液体在流动方向的速度均匀性得到大幅度提高。

所述键合复合晶体（6）用于作为增益介质获取高激光增益。

在增益模块内，所述键合复合晶体(6)的结构如图4所示，由低热导率玻璃(17)、湍流耗散段晶体(18)、增益晶体(19)、流场恢复段晶体(20)组成，其中湍流耗散段晶体(18)、增益晶体(19)和流场恢复段晶体(20)依次通过键合方式连接，三段晶体之间为一体式加工；低热导率玻璃(17)通过胶结与各晶体在对称面分别连接。其中湍流耗散段晶体(18)和流场恢复段晶体(20)均用作为匀化流场，且耗散段晶体(18)、恢复段晶体(20)的特征体现为基质与增益晶体(19)相同而掺杂离子不同或者无掺杂离子；低热导率玻璃(17)的作用为抑制边缘效应热致像差，其特征体现为低热导率玻璃(17)的热导率通常为增益晶体（19）的1/10或者更小。

采用了如前述所述的键合晶体结构能够实现对流场的进一步匀化以及边缘效应抑制，并且该键合复合晶体（6）为一体式加工，既能保证对湍流的进一步耗散，也避免由于传统粘接工艺导致的反向台阶引入扰流；键合晶体中的低热导率玻璃（17）的作用是将增益晶体（19）中沿展向(即两片玻璃之间的方向，垂直于液体流动方向)的产热锁定在晶体内，防止在增益边缘出现大温度梯度而产生大边缘效应。如图5所示，图5中的（a）和（b）分别为无低热导率玻璃（17）的热致像差（PV=5.5微米）结果和使用了有低热导率玻璃（17）的热致像差（PV=1.7微米）结果。可以看到对比而言，采用低热导率玻璃（17）的键合复合晶体（6）可以减小约2/3的热致畸变。

为了实现更好的低热致畸变像差的效果，所述第一增益模块与第二增益模块之间是进行流向相反的串联连接。

在一个优选实施例中，在第一增益模块与第二增益模块中、其中一个模块的流场方向为自上而下、另一个模块的流场方向为自下而上；将两个增益模块采用连接螺丝(9)等机械连接方式进行固定串联，则两个增益模块内的激光冷却液通过连接管道(8)进行流通，实现流场的反向串联，即其中一个模块的流场方向自上而下、另一个模块流场自下而上。

本发明对两个增益模块之间的固定连接方式不做具体限定。

两个增益模块反向串联连接完成后，沿光路方向上，第一泵浦源（110）和第二泵浦源（111）分别发出第一泵浦光(120)和第二泵浦光（121）后、分别通过第一双色镜（130）和第二双色镜（131）导入两个增益模块中，并采用端面泵浦的方式对增益模块进行抽运。全反射镜(14)与输出镜(15)分别位于增益模块整体的两端并形成激光谐振腔，腔内振荡激光(16)经过多次震荡放大达到阈值后经过激光输出镜（15）实现输出激光(26)的输出。

同时，激光冷却液（10）经过导流锥(3)进入增益模块内完成匀化流通和冷却后输出。

具体而言，激光冷却液（10）经过第一增益模块的来流导流锥（30）流进第一增益模块的装置外框(1)内，大量激光冷却液（10）经过叠放的垂直匀化格栅(4)和同向匀化格栅(5)进行匀化后流入装置内框(2)，之后进一步进入由微流道分隔条(7)分隔形成的晶体间微流道内。

在晶体间微流道内，首先流过耗散段晶体(18)区域的湍流将进一步耗散，保证到达增益晶体(19)的激光冷却液（10）在展向的速度均匀性，之后激光冷却液（10）经过恢复段晶体(20)后流出装置内框（2）。另外，少量激光冷却液（10）液体通过第一增益模块的装置内框（2）与装置外框（1）之间的缝隙流出，其作用是对激光通光窗口(25)进行冷却。所有激光冷却液（10）液体在第一增益模块的去流导流锥（31）处汇合后流出，之后通过第二增益模块的来流导流锥（30）导入第二增益模块，并在第二增益模块内进行同样的匀化流通和冷却后输出，最终通过第二增益模块的去流导流锥（31）汇合后流出装置。

此外，第一增益模块的去流导流锥（31）与第二增益模块的来流导流锥（30）之间还可以连接冷却循环装置，从而实现对激光冷却液（10）的冷却。

通过如上所述采用两个流场方向相反的增益模块进行串联实现对沿流场方向的倾斜像差进行补偿，避免激光冷却液流过晶体时会不断吸热导致一端温度高于另一端的情况而产生倾斜像差。所述流动方向相反的模块串联，能够使得一个模块的高温端与另一模块的低温区共路，从而实现倾斜像差自补偿。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。