一种片状增益介质循环冷却方法、系统及激光器

技术领域

本发明属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种片状增益介质循环冷却方法、系统及激光器。

背景技术

固体激光器中放大器模块的热管控是影响其输出功率和光束质量提升的关键因素，薄片式增益介质加浸没式直接液冷是目前高功率固体放大器模块广泛采用的热控方案。在该方案中，薄片式增益介质以一定间隙平行排列，冷却介质从两片增益介质间的狭窄通道流过，与增益介质的最大表面接触，以对流换热的方式带走其产生的废热，如CN201410264286.4一种浸没式冷却固体激光器。

在高效换热的同时，两片增益介质间流道狭窄和冷却介质高速流动产生较大压降，在流场压力作用下，增益介质窗口片产生形变，给光的传输和光束质量提升带来不利影响。为消除该不利影响，需要使窗口片内外侧压力平衡从而减少或消除其形变。为实现这一目的，现有技术方案是将整个放大器模块置于密闭的箱体中，通过往箱体中充气使窗口片外侧压力与其内侧流场压力相等，这种方法不仅对箱体的密封性以及内部气压与环境洁净度的控制提出了很高的要求，也大大增加了整个放大器结构上的复杂性与后期维护的难度。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种片状增益介质循环冷却方法、系统及激光器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，一种片状增益介质循环冷却方法，包括以下步骤：

步骤S100、将片状增益介质及窗口片以一定间距平行夹持并密封构成片箱，片箱与冷却源采用循环冷却回路连通，对片状增益介质进行冷却散热；

步骤S200、获取所述循环冷却回路中片箱至冷却源的沿程压降，并设定冷却源的内部压力的设定值；

步骤S300、获取冷却源内部的实时压力，并保持冷却源内部的实时压力与设定值的差值始终维持在精度允许范围内。

进一步，所述片箱至冷却源的沿程压降等于片箱内流场的平均压力与冷却源的内部压力的差值。

进一步，记流入片箱的冷却介质的压力为p

进一步，记冷却源的内部压力为p′，记片箱至冷却源的沿程压降为Δp，则Δp＝1/2(p

进一步，通过气体抽运方式保持冷却源内部的实时压力与设定值的差值始终维持在精度允许范围内。

第二方面，本发明还提供一种片状增益介质循环冷却系统，包括：

片箱，其内部放置有片状增益介质；

冷却源，其液面以下与片箱通过循环冷却回路连通，其液面以上通过气体管路与真空泵连通。

进一步，所述片箱上设有进液口和出液口，所述进液口处设有第一压力传感器，所述出液口处设有第二压力传感器，所述冷却源处设有第三压力传感器。

进一步，所述循环冷却回路上设有液泵、流量计和流量调节阀，冷却介质通过液泵、流量计和流量调节阀以一定流量输送至片箱内，吸收片状增益介质废热后回到冷却源，完成一次循环。

进一步，所述气体管路上设有电控阀门，所述电控阀门的开合度随着冷却源内部的实时压力与设定值的差值同步变化，冷却源内部的实时压力与设定值的差值变大，电控阀门的开合度变大。

第三方面，本发明还提供一种激光器，其采用上述的片状增益介质循环冷却方法进行冷却散热。

本发明的有益效果是：

1、通过降低冷却源的内部压力，降低循环冷却回路的压力，以补偿片箱内流场的平均压力与标准大气压的差值，促使窗口片内侧所处流场压力与其外部大气压相等，避免窗口片因内外压差产生形变，保证光束质量。

2、在片状增益介质工作过程中，在线实时调控冷却源的内部压力，操作便捷。

3、相较于现有技术采用外部充正压方式，省去了外部正压型洁净箱体的使用，简化了整个放大器模块的结构以及操作维护流程，降低了加工、运行及维护的难度与成本。

4、采用冷却介质对片状增益介质直接进行浸没式冷却，大大提高了热管理效率，极限热功率负载大幅提高，从而允许注入更高的泵浦功率并大幅提高激光输出功率和频率。

5、结构简单，仅需在原激光器结构基础上进行简单的改动，便可大幅提升系统性能。

6、除抑制窗口形变以外，在某些应用场合下，本装置还可以通过调节窗口片所处流场压力来主动调节窗口形变，利用“水透镜”效应有效补偿激光器的离焦等低阶像差，在不增加变形镜等波前校正器的条件下，有效改善光束质量，简化激光器结构复杂性。

附图说明

图1是片状增益介质循环冷却方法的流程框图；

图2是片状增益介质循环冷却系统的结构示意图；

附图中：1-片状增益介质、2-片箱、3-冷却源、4-液泵、5-流量计、6-流量调节阀、7-电控阀门、8-真空泵、9-窗口片；

P

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。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种片状增益介质循环冷却方法，包括以下步骤：

步骤S100、将片状增益介质及窗口片以一定间距平行夹持并密封构成片箱，片箱与冷却源采用循环冷却回路连通，对片状增益介质进行冷却散热；

步骤S200、获取所述循环冷却回路中片箱至冷却源的沿程压降，并设定冷却源的内部压力的设定值；

步骤S300、获取冷却源内部的实时压力，并保持冷却源内部的实时压力与设定值的差值始终维持在精度允许范围内。

进一步优选的，所述片箱至冷却源的沿程压降等于片箱内流场的平均压力与冷却源的内部压力的差值。

进一步优选的，记流入片箱的冷却介质的压力为p

进一步优选的，记冷却源的内部压力为p′，记片箱至冷却源的沿程压降为Δp，则Δp＝1/2(p

进一步优选的，通过气体抽运方式保持冷却源内部的实时压力与设定值的差值始终维持在精度允许范围内，所述精度允许范围可视实际工作要求记。

也就是说，通过降低冷却源的内部压力，进而降低循环冷却回路的压力，以补偿片箱内流场的平均压力与标准大气压的差值，促使窗口片内侧所处流场压力与其外部大气压相等，避免窗口片因内外压差产生形变，保证光束质量。在片状增益介质工作过程中，在线实时调控冷却源的内部压力，操作便捷。

相较于现有技术采用外部充正压方式，省去了外部正压型洁净箱体的使用，简化了整个放大器模块的结构以及操作维护流程，降低了加工、运行及维护的难度与成本。

实施例二：

如图2所示，片状增益介质循环冷却系统包括：

片箱2，其由窗口片9、片状增益介质1及相关夹持件和密封件构成，片状增益介质1及窗口片9以一定间距平行排列，相邻的片状增益介质1以及片状增益介质1与窗口片9之间形成冷却通道。同时，信号光垂直于窗口片9及片状增益介质1传输。

冷却源3，其内部盛放有冷却介质，其顶部开设供加注冷却介质的开关口，开关口除加注冷却介质时处于常闭状态，冷却源3的液面以下与片箱通过循环冷却回路连通，冷却源3的液面以上通过气体管路与真空泵8连通。

真空泵8，其与冷却源3通过气体管路连通，用于降低冷却源3的内部压力，所述气体管路上设有电控阀门7。

进一步优选的，所述片箱2上设有进液口和出液口，所述进液口处设有第一压力传感器和第一温度传感器，所述出液口处设有第二压力传感器和第二温度传感器，所述冷却源3处设有第三压力传感器。

进一步优选的，所述循环冷却回路上设有液泵4、流量计5和流量调节阀6，冷却介质通过液泵4、流量计5和流量调节阀6以一定流量输送至片箱2内，吸收片状增益介质1废热后回到冷却源，完成一次循环。同时，通过第一温度传感器和第二温度传感器获取冷却介质的温度差，以调控流量调节阀6的开合度。

采用冷却介质对片状增益介质1直接进行浸没式冷却，大大提高了热管理效率，极限热功率负载大幅提高，从而允许注入更高的泵浦功率并大幅提高激光输出功率和频率。

常用的片状增益介质1的基质材料主要有以下几类：1、玻璃；2、氧化物，如蓝宝石、石榴石、氧化铝和硫氧化物；3、磷酸盐和硅酸盐；4、钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐和铍酸盐；5、氟化物；6、陶瓷材料。这些材料中，有部分材料的热光系数为正数，例如钇铝石榴石(YAG)；有部分材料的热光系数为负数，例如氟化钇锂(YLF)。而直接液冷片状增益介质1常用的冷却介质主要有去离子水、重水、四氯化碳、四氯乙烯、硅氧烷、芳香族化合物、卤代烃和各类折射率匹配液。其中，较为典型的重水、四氯乙烯和四氯化碳的热光系数均为负数。通过对材料特性的分析，优选热光系数极性相反的片状增益介质1和冷却介质：选择热光系数为正数的片状增益介质1与热光系数为负数的冷却介质，或者选择热光系数为负数的片状增益介质1与热光系数为正数的冷却介质，实现直接液冷片状增益介质1波前畸变的自补偿。

通过第一压力传感器获取流入片箱2的冷却介质的压力为p

为解决这一问题，发明人在冷却源3上安装真空泵8、电控阀门7和第三压力传感器，构成压力控制系统。工作时，通过第三压力传感器获取冷却源3的内部压力p′，计算得到Δp，冷却源3的内部压力的设定值p

本发明还提供一种激光器，其采用上述的片状增益介质循环冷却方法进行冷却散热，结构简单，仅需在原激光器结构基础上进行简单的改动，便可大幅提升系统性能。

由于激光器在泵浦过程中的斯塔克斯谱移、量子亏损、无用泵浦吸收等原因，会产生大量的废热，导致片状增益介质的热透镜、应力、退偏、双折射，影响激光器的正常运转。采用折射率匹配冷却介质，对片状增益介质产生的废热实时动态流动管理，既能够有效降低废热的累积，又能够大大降低冷却介质对泵浦光和输出激光的吸收损耗。

在其他一些实施例中，除抑制窗口形变以外，在某些应用场合下，本装置还可以通过调节窗口片所处流场压力来主动调节窗口形变，利用“水透镜”效应有效补偿激光器的离焦等低阶像差，在不增加变形镜等波前校正器的条件下，有效改善光束质量，简化激光器结构复杂性。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。