雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法
2023-11-07 15:21:17 2
專利名稱：雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法
技術領域：
本發明涉及雷射器，特別是一種雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法。
背景技術：
近年來，一種折射率匹配的直接浸沒式冷卻的高功率雷射技術引起國內外廣泛的關注，該技術是將固體雷射增益介質浸沒在與之折射率相同的循環流動冷卻的冷卻液中進行直接冷卻，可實現高的表面積-體積比以提高散熱效率和改善溫度均勻性，同時折射率的匹配可以消除固體雷射增益介質熱應力下產生的面型畸變的影響，同時也降低了對相應固體器件的加工面型精度的要求。該技術有望大幅度改善高功率雷射系統的熱管理水平，提高熱負載能力，因而具有重大的現實意義。在美國國防部先進研究項目局(DefenceAdvanced Research Projects Agency)開展的高能液體雷射區域防禦系統(High EnergyLiquid Laser Area Defence System)項目中，作為兩家競標公司之一的通用原子能公司的設計方案正是採用這種設計。該設計方案中雷射光束通過一系列浸沒在循環冷卻的折射率匹配冷卻液中的固 體雷射增益介質薄片進行放大。該系統由兩個75KW的模塊共同組建成一個雷射振蕩器，實現了最高150KW的輸出(Laser containing a distributed gainmedium, Michael D.Perry, Paul S.Banks, Jason Zweiback, Robert ff.Schleicher, UnitedStates Patent:US7，366，211，B2 (2008))。國內也要採用類似設計的報導，該報導中採用折射率匹配冷卻液浸沒冷卻的釹玻璃微球陣列結構，也實現了穩定可靠的雷射輸出(A neodymium fluid laser: Laser emission in circulating state, ChaoqiHou, Haitao Guo, Jiangbo She, Xiaoxia Cui, Zebang Qiao, Fei Gao, Min Lu, Wei Wei, PoPeng, Optics&Laser Technology (2012))。而該雷射技術的核心關鍵就是實現折射率的匹配。如果在雷射器工作過程中，折射率匹配冷卻液與固體雷射增益介質之間無法實現良好的折射率匹配，會帶來嚴重的損耗以及波前的畸變。而截至目前，尚無直接回答如何實現雷射器工作條件下的折射率匹配的文獻報導。
發明內容
本發明的技術解決問題在於提供一種雷射器的增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法，該方法有效地保持了冷卻液與固體雷射增益介質之間良好的折射率匹配，從而抑制了增益介質和冷卻液之間各個界面的反射和折射帶來的損耗。實驗表明，可將反射/折射損耗降低至小於0.02cm-10本發明技術解決方案如下:一種雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置，特點在於其構成包括:增益介質腔、增益介質、折射率匹配冷卻液、熱交換器、循環泵、可調恆溫槽、恆溫液體和泵浦源，所述的增益介質置於所述的增益介質腔中，該增益介質腔具有折射率匹配冷卻液的輸入口和輸出口，所述的熱交換器內的恆溫液體經所述的可調恆溫槽循環，所述的增益介質腔的輸出口經管路依次經所述的循環泵、熱交換器內的熱交換管路、管路和所述的增益介質腔的輸入口構成一封閉的環路，所述的折射率匹配冷卻液置於並充滿所述的增益介質腔和所述的環路，所述的折射率匹配冷卻液在所述的循環泵的驅動下在所述的增益介質腔和熱交換器內循環運動。所述的增益介質為片狀雷射介質、圓柱體狀雷射介質或其他不規則雷射介質。用於上述的雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置的折射率匹配冷卻液的匹配方法，該方法包括下列步驟:①選取折射率分別高於和低於所述的雷射增益介質的折射率的溶劑混合來配置折射率匹配冷卻液，設雷射器採用的固體雷射增益介質折射率為ns，，兩種溶劑常溫下的折射率分別為H1 (H1 ns)，要求所選溶劑彼此互溶並不與所接觸到的其他材料發生反應，低毒性，低腐蝕性，對泵浦光和輸出信號光的吸收係數小於0.0lcnT1 ；②根據所述的增益介質腔和折射率匹配冷卻液管路確定折射率匹配冷卻液的總量，調整選定的兩種溶劑比例直至混合溶劑的折射率為ns，測量混合溶劑的比熱容C1，混合溶劑的溫度折射率係數K，混合溶劑的密度P 1；再調整兩種溶劑的比例直至混合溶劑即折射率匹配冷卻液的折射率為:n0 = ns-Kffp/2CX P ,其中，F1為折射率匹配冷卻液的流量，Wp為泵浦光的熱功率；③將所述的折射率匹配冷卻液置於所述的雷射增益介質腔中，開啟循環泵使折射率匹配冷卻液所在循環系統流量達到F1,再開啟雷射泵浦源，待從雷射增益介質腔流出的折射率匹配冷卻液的溫度不再變化後，通過所述的可調恆溫槽緩慢微調注入增益介質腔的折射率匹配冷卻液的溫 度，觀察雷射器輸出功率/能量的變化，若升溫導致雷射器輸出功率/能量降低，則緩慢降溫直至雷射器輸出功率/能量不再升高，反之則繼續緩慢升溫，直至輸出雷射功率/能量達到最大，此時實現了雷射器工作條件下最佳折射率匹配。通過配置折射率匹配冷卻液時的折射率預調製和雷射器工作狀態下對摺射率匹配冷卻液的溫度調製，實現浸沒式冷卻的雷射器在工作狀態下的最佳折射率匹配。雷射器的泵浦光按照其轉換效率，只有部分轉化成雷射輸出，剩餘絕大部分轉化為系統內部的熱沉積，導致固體增益介質以及冷卻液的升溫。由於液體的溫度-折射率係數(Λη/AT:折射率隨溫度的變化率)比固體大I 2個數量級，同時，液體折射率隨溫度升高而降低,而對於正溫度-折射率係數的固體，其折射率隨溫度升高而升高，對於負溫度-折射率係數的固體，其折射率隨著溫度升高而降低，因此溫度的升高會導致固體-液體折射率不同的變化。折射率預調製是指:在常溫下配置折射率匹配冷卻液時，通過調整組分將匹配液的折射率提高至高於固體介質折射率的某一特定值，使得雷射器在泵浦光作用下實現穩定工作和穩態溫升時，溫升後的冷卻液折射率與固體介質折射率趨於相同。雷射器工作狀態下對摺射率匹配冷卻液的溫度調製是指:由於雷射介質的構型，材料以及工作條件(匹配液流量等)的不同，雷射器實現穩態溫度分布後，固體介質的溫升會有所不同，導致固體介質折射率會出現不同程度的變化(遠小於同樣溫升下液體折射率的變化)。此時，通過調製折射率匹配冷卻液的溫度，實現對 匹配液折射率的調製，直至雷射器工作條件下實現折射率的最佳匹配。溫度調製的折射率的變化範圍為:( H1),η。為常溫下匹配液的折射率，H1為匹配液凝固點溫度的折射率，若固體雷射介質的折射率變化在此範圍內，則可實現折射率匹配。定義&為固體介質的溫度折射率係數，則當固體介質溫升ATS< (Ii1-1ici)/Ks時，本發明所述方法適用。本發明的技術效果:在泵浦源的照射下，有效保持了冷卻液與固體雷射增益介質之間良好的折射率匹配，從而抑制了元件和冷卻液之間各個界面的反射和折射帶來的損耗。實驗表明，可將反射/折射損耗降低至小於0.02Cm^1O
圖1為本發明實施例1的原理示意2為本發明實施例2的原理示意圖
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明所述方法作進一步說明。該實施例以解釋本發明的方式提供，而非本發明的限制。先請參閱圖1，圖1為本發明實施例1的原理示意圖，由圖可見，本發明雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置，構成包括:增益介質腔3、增益介質1、折射率匹配冷卻液2、熱交換器5、循環泵4、可調恆溫槽6、恆溫液體7和泵浦源8，所述的增益介質I置於所述的增益介質腔3中，該增益介質腔3具有折射率匹配冷卻液2的輸入口和輸出口，所述的熱交換器5內的恆溫液體7經所述的可調恆溫槽6循環，所述的增益介質腔3的輸出口經管路依次經所述的循環泵4、熱交換器5內的熱交換管路、管路和所述的增益介質腔3的輸入口構成一封閉的環路，所述的折射率匹配冷卻液2置於並充滿所述的增益介質腔3和所述的環路，所述的折射率匹配冷卻液2在所述的循環泵4的驅動下在所述的增益介質腔3和熱交換器5內循環運動。所述的增益介質I為片狀雷射介質。用於雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置實施例述I的折射率匹配冷卻液的匹配方法，該方法包括下列步驟:①選取折射率分別高於和低於所述的雷射增益介質I的折射率的溶劑混合來配置折射率匹配冷卻液，設雷射器採用的固體雷射增益介質折射率為ns，，兩種溶劑常溫下的折射率分別為Ii1 (H1 ns)，要求所選溶劑彼此互溶並不與所接觸到的其他材料發生反應，低毒性，低腐蝕性，對泵浦光和輸出信號光的吸收係數小於0.0lcnT1 ；②根據所述的增益介質腔(3)和折射率匹配冷卻液管路確定折射率匹配冷卻液的總量，調整選定的兩種溶劑比例直至混合溶劑的折射率為ns，測量混合溶劑的比熱容C1，混合溶劑的溫度折射率係數K，混合溶劑的密度P 1；再調整兩種溶劑的比例直至混合溶劑即折射率匹配冷卻液的折射率為:n0 = ns-Kffp/2CX P ,其中，F1為折射率匹配冷卻液的流量，Wp為泵浦光的熱功率；③將所述的折射率匹配冷卻液置於所述的雷射增益介質腔3中，開啟循環泵4使折射率匹配冷卻液所在循環系統流量達到F1，再開啟雷射泵浦源8，待從雷射增益介質腔3流出的折射率匹配冷卻液的溫度不再變化後，通過所述的可調恆溫槽6緩慢微調注入增益介質腔3的折射率匹 配冷卻液2的溫度，觀察雷射器輸出功率/能量的變化，若升溫導致雷射器輸出功率/能量降低，則緩慢降溫直至雷射器輸出功率/能量不再升高，反之則繼續緩慢升溫，直至輸出雷射功率/能量達到最大，此時實現了雷射器工作條件下最佳折射率匹配。實施例1:本實施例中的固體雷射介質單元I材料為Nd: YLF (Nd: LiYF4)，以晶體中尋常光(ο光)傳播方向為增益介質中雷射的傳播方向，常溫20°C下ο光折射率ns=l.4481，選取乙酸乙酯和液體石蠟的混合溶劑來配置折射率匹配冷卻液2，兩者室溫20°C下的折射率分別為1.3406，1.4677，室溫下調配兩者混合比例直至混合溶劑折射率與固體雷射介質I的折射率相同，測得此時混合溶劑密度0.88g/cm3，溫度折射率係數為-1lX 10_4/°C，比熱容為2.4kJ/(kg.K)。本實施例中泵浦光9的熱功率10KW，折射率匹配冷卻液2的流量為3L/s。代入式(1)，得到nQ=l.4490，依此調整二溴乙烷與四溴乙烷的比例直至混合溶劑(折射率匹配冷卻液2)的折射率為1.4490。然後，構建如圖1所示硬體。將一組4片薄片狀固體雷射增益介質單元I安裝在增益介質腔3中，固體雷射增益介質單元I尺寸為:100mmX120mmX2mm，增益介質腔3腔內尺寸為IOOmmX IOOmmX 30mm,壁厚IOmm,材質為石英,腔3的內外壁和增益介質單元I的表面拋光達到光學鏡面光潔度。腔體3內的折射率匹配冷卻液2在循環泵4的推動下導出腔體3並實現循環流動。循環流動的折射率匹配冷卻液2在注入增益介質腔3之前經過熱交換器5，該熱交換器5為金屬熱沉。熱交換器5通過從溫度可調恆溫槽6中引入的恆溫液體7實施對注入腔體3的折射率匹配冷卻液2的溫度調製。實施雷射器工作條件下的折射率匹配時，首先將上述配置好的折射率匹配冷卻液2注滿腔體3和循環泵4所在的循環管路，然後開啟循環泵4使得流量達到F1=SIVs,然後開啟雷射器的泵浦源8。當從腔體3中流出的折射率匹配冷卻液2的溫度不再變化時，緩緩微調恆溫槽6的溫度，觀察雷射器的輸出功率的變化，直至雷射器的輸出功率達到極大值，此時實現了最佳的折射率匹配。 實施例2:圖2為本發明實施例2的原理示意圖首先，實施折射率預調製。本實施例中的固體雷射介質單元10材料為摻釹磷酸鹽玻璃，常溫20°C下折射率ns=l.5386，選取二溴乙烷和四溴乙烷的混合溶劑來配置折射率匹配冷卻液2，兩者室溫20°C下的折射率分別為1.5342，1.6317，室溫下調配兩者混合比例直至混合溶劑折射率與固體雷射介質I相同，測得此時混合溶劑密度2.19g/cm3，溫度折射率係數-7X 10_4/°C，比熱容0.72kJ/(kg.K)。本實施例中泵浦光9的熱功率4KW，折射率匹配冷卻液2的流量為0.5L/s。帶入式(1)，得到nQ = 1.5403，依此調整二溴乙烷與四溴乙烷的比例直至混合溶劑(折射率匹配冷卻液2)的折射率為1.5403。然後，構建如圖2所示硬體。將一組4X5根圓柱體狀固體雷射增益介質單元10安裝在增益介質腔3中，固體雷射增益介質單元I直徑4_，長25_，增益介質腔3腔內尺寸為25mmX 25mmX 30mm,壁厚3mm,材質為石英,腔3的內外壁和增益介質單兀I的表面拋光達到光學鏡面光潔度。腔體3內的折射率匹配冷卻液2在循環泵4的推動下導出腔體3並實現循環流動。循環流動的折射率匹配冷卻液2在注入增益介質腔3之前經過熱交換器
5.熱交換器5通過從溫度可調恆溫槽6中引入的恆溫液體7實施對注入腔體3的折射率匹配冷卻液2的溫度調製。實施雷射器工作條件下的折射率匹配時，首先將上述配置好的折射率匹配冷卻液2注滿腔體3和循環泵4所在的循環管路，然後開啟循環泵4使得流量達到F1=0.5L/s，然後開啟雷射器的泵浦源8。當從腔體3中流出的折射率匹配冷卻液2的溫度不再變化時，緩緩微調恆溫槽6的溫度，觀察雷射器的輸出功率的變化，直至雷射器的輸出功率達到極大值，此時實 現了最佳的折射率匹配。
權利要求
1.一種雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置，特徵在於其構成包括:增益介質腔(3)、增益介質(I)、折射率匹配冷卻液(2)、熱交換器(5)、循環泵(4)、可調恆溫槽(6)、恆溫液體(7)和泵浦源(8)，所述的增益介質(I)置於所述的增益介質腔(3)中，該增益介質腔(3)具有折射率匹配冷卻液(2)的輸入口和輸出口，所述的熱交換器(5)內的恆溫液體(7)經所述的可調恆溫槽(6)循環，所述的增益介質腔(3)的輸出口經管路依次經所述的循環泵(4)、熱交換器(5)內的熱交換管路、管路和所述的增益介質腔(3)的輸入口構成一封閉的環路，所述的折射率匹配冷卻液(2)置於並充滿所述的增益介質腔(3)和所述的環路，所述的折射率匹配冷卻液(2)在所述的循環泵(4)的驅動下在所述的增益介質腔(3)和熱交換器(5)內循環運動。
2.根據權利要求1所述的雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置，其特徵在於所述的增益介質(I)為片狀雷射介質、球狀雷射介質或其他不規則雷射介質。
3.用於權利要求1所述的雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置的折射率匹配冷卻液的匹配方法，其特徵在於該方法包括下列步驟: ①選取折射率分別高於和低於所述的雷射增益介質(I)的折射率的溶劑混合來配置折射率匹配冷卻液，設雷射器採用的固體雷射增益介質折射率為ns，，兩種溶劑常溫下的折射率分別為Ii1 (H1 ns)，要求所選溶劑彼此互溶並不與所接觸到的其他材料發生反應，低毒性，低腐蝕性，對泵浦光和輸出信號光的吸收係數小於0.0lcnT1 ； ②根據所述的增益介質腔(3)和折射率匹配冷卻液管路確定折射率匹配冷卻液的總量，調整選定的兩種溶劑比例直至混合溶劑的折射率為ns，測量混合溶劑的比熱容C1,混合溶劑的溫度折射率係數K，混合溶劑 的密度P 1；再調整兩種溶劑的比例直至混合溶劑即折射率匹配冷卻液的折射率為:I10=Iis-KVXp1F1, 其中，F1為折射率匹配冷卻液的流量，Wp為泵浦光的熱功率； ③將所述的折射率匹配冷卻液置於所述的雷射增益介質腔(3)中，開啟循環泵(4)使折射率匹配冷卻液所在循環系統流量達到F1，再開啟雷射泵浦源，待從雷射增益介質腔(3)流出的折射率匹配冷卻液的溫度不再變化後，通過所述的可調恆溫槽6緩慢微調注入增益介質腔(3)的折射率匹配冷卻液(2)的溫度，觀察雷射器輸出功率/能量的變化，若升溫導致雷射器輸出功率/能量降低，則緩慢降溫直至雷射器輸出功率/能量不再升高，反之則繼續緩慢升溫，直至輸出雷射功率/能量達到最大，此時實現了雷射器工作條件下最佳折射率匹配。
全文摘要
一種雷射器增益介質與浸沒式冷卻液的匹配裝置和匹配方法，匹配裝置的構成包括增益介質、折射率匹配冷卻液、增益介質腔、循環泵、熱交換器、可調恆溫槽、恆溫液體和泵浦源。本發明有效地保持了冷卻液與固體雷射增益介質之間良好的折射率匹配，從而抑制了增益介質和冷卻液之間各個界面的反射和折射帶來的損耗。實驗表明，可將反射/折射損耗降低至小於0.02cm-1。
文檔編號H01S3/042GK103236625SQ20131012980
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月15日 優先權日2013年4月15日
發明者桂珞, 範滇元 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所