雙面傳導冷卻多薄片激光頭制造技術

本發明專利技術實施例提供一種雙面傳導冷卻多薄片激光頭，包括：增益介質、熱沉、冷卻金屬、增益介質與熱沉間的第一接觸物和熱沉與冷卻金屬間的第二接觸物；增益介質和熱沉均呈片狀，平行間隔分立設置；冷卻金屬置于增益介質和熱沉的外圍，且冷卻溫度恒定，增益介質和熱沉的中心同軸，增益介質所在平面垂直于此中心軸線；增益介質的邊緣與熱沉的邊緣通過第一接觸物相連接；熱沉兩個面的邊緣與冷卻金屬的內壁通過第二接觸物相連接。本發明專利技術實施例提供的雙面傳導冷卻多薄片激光頭，具有增益介質無漸變、間隔或梯度摻雜等特殊要求、冷卻作用過程簡單、結構緊湊和散熱效果好的優勢，有利于多薄片激光器的高功率輸出。

【技術實現步驟摘要】
雙面傳導冷卻多薄片激光頭
本專利技術涉及激光
，尤其涉及一種雙面傳導冷卻多薄片激光頭。
技術介紹
為了滿足更高功率激光輸出和結構緊湊的要求，尤其是在激光聚變需求的牽引下，基于多薄片結構的高功率全固態激光器受到了廣泛關注。此結構采用間隔分立的多薄片增益介質，能夠提供較高的增益，通過低溫氦氣或者直接液冷可有效的移除介質中的廢熱確保了激光器的正常運行。現有技術中，對低溫氦氣冷卻的激光放大器，多選用漸變和間隔摻雜或者梯度摻雜的疊片增益介質，而液體直接冷卻薄片固體激光介質是將薄片增益介質直接浸入到冷卻液中，激光直接透射冷卻液和薄片介質，選用折射率匹配的冷卻液能大大降低激光穿過冷卻液和薄片的損耗，能夠實現大量薄片的串接，是固體激光實現十萬瓦高功率輸出的技術路線之一。但是，當采用低溫冷卻時，增益介質多選用漸變和間隔摻雜或者梯度摻雜的疊片，這無疑增大了增益介質的制備難度和復雜性；當采用液體直接冷卻時，由于激光直接穿過冷卻液，在激光振蕩中的流場特性、熱力學特性及各種光學特性相互耦合，使得作用過程復雜。
技術實現思路
本專利技術實施例提供一種雙面傳導冷卻多薄片激光頭，用于解決現有技術中的上述技術問題。為了解決上述技術問題，一方面，本專利技術實施例提供一種雙面傳導冷卻多薄片激光頭，包括：增益介質、熱沉、冷卻金屬、增益介質與熱沉間的第一接觸物和熱沉與冷卻金屬間的第二接觸物；所述增益介質和所述熱沉均呈片狀，所述增益介質和所述熱沉平行間隔分立設置；所述冷卻金屬置于增益介質和熱沉的外圍，所述增益介質和所述熱沉的中心同軸，所述增益介質所在平面垂直于此中心軸線；所述增益介質的邊緣與所述熱沉的邊緣通過第一接觸物相連接，使所述增益介質與所述熱沉之間形成第一夾層；所述熱沉兩個面的邊緣與所述冷卻金屬的內壁通過第二接觸物相連接，使所述熱沉與所述冷卻金屬之間形成第二夾層，所述增益介質與所述冷卻金屬之間形成第三夾層。進一步地，所述增益介質的厚度小于10毫米。進一步地，所述第一夾層的厚度小于100微米。進一步地，所述第一夾層內的氣壓小于或者等于1巴。進一步地，所述第一夾層內充入惰性氣體、氫氣或氮氣。進一步地，所述熱沉的材料為藍寶石。進一步地，所述冷卻金屬的材料為銅，恒定冷卻溫度為100K或80K。進一步地，所述第二夾層內充入真空，所述第三夾層內充入真空。進一步地，所述增益介質的材料為Yb:CaF2或Yb:YAG。進一步地，所述第一夾層內充入氦氣。本專利技術實施例提供的雙面傳導冷卻多薄片激光頭，具有增益介質無漸變、間隔或梯度摻雜等特殊要求、冷卻作用過程簡單、結構緊湊和散熱效果好的優勢，有利于多薄片激光器的高功率輸出。附圖說明圖1為本專利技術實施例提供的雙面傳導冷卻多薄片激光頭結構示意圖；圖2為本專利技術實施例提供的雙面傳導冷卻多薄片激光頭散熱原理示意圖。具體實施方式為了使本專利技術實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。激光二極管(LD)泵浦的高功率全固態激光器是當前國際激光
競相研究的熱點，其在先進制造、精密探測、聚變研究、軍事等領域有著廣泛的用途。但高功率全固態激光器的發展始終受到熱效應的制約，這是因為在高功率抽運過程中，增益介質輸出激光的同時會產生大量的無用熱。這些無用熱的存在會導致熱透鏡、熱應力、退偏、雙折射等不良效應，從而致使激光光束質量下降、輸出功率受限，甚至造成工作介質破壞，嚴重限制了激光器的最大輸出功率。在此情況下，具有較小熱效應的新型薄片激光器應運而生，由于薄片激光器的諸多優點：LD泵浦薄片激光器結構緊湊、質量輕、體積小、激光晶體允許注入的泵浦功率很高且晶體內溫度基本可以保持恒定等特點，迅速成為了國內外各研究機構的研究重點。國外Giesen等人實現了薄片激光器從概念提出到具體實驗的跨越，設計了從單通到多通泵浦薄片的方案，已成為薄片激光器中最大量使用的泵浦方式。國內許多單位也進行了多通泵浦薄片的研究，但由于此類薄片激光器的有限增益介質體積對激光器儲能的制約，為實現更高功率的激光輸出，國內外開展了多薄片串接的薄片激光器研究，這種多薄片串聯的方案能夠彌補單個薄片激光器儲能不足的劣勢，但是串聯方案結構一般較為復雜，并且體積較龐大。為了滿足更高功率激光輸出和結構緊湊的要求，尤其是在激光聚變需求的牽引下，基于多薄片結構的高功率全固態激光器受到了廣泛關注。此結構采用間隔分立的多薄片增益介質，能夠提供較高的增益，通過低溫氦氣或者直接液冷可有效的移除介質中的廢熱確保了激光器的正常運行。國內外對低溫氦氣冷卻的激光放大器，多選用漸變和間隔摻雜或者梯度摻雜的疊片增益介質，而液體直接冷卻薄片固體激光介質是將薄片增益介質直接浸入到冷卻液中，激光直接透射冷卻液和薄片介質，選用折射率匹配的冷卻液能大大降低激光穿過冷卻液和薄片的損耗，能夠實現大量薄片的串接，是固體激光實現十萬瓦高功率輸出的技術路線之一。目前國內外學者一直致力于薄片激光器的高功率激光輸出，由于薄片激光器的單片增益有限，儲能難以提升，功率定標放大困難，片間串接光學系統復雜，未能體現結構緊湊的問題，目前采用的多薄片激光器是實現高能輸出和結構緊湊的一個有效手段。當增益介質從單一薄片發展到多薄片時，冷卻方式也從最初的端面直接連接散熱裝置，散熱裝置可以是水冷、氣冷等，而發展到采用低溫冷卻和液體直接冷卻的方式。但是對于多薄片激光器的設計研究，當采用低溫冷卻時，增益介質多選用漸變和間隔摻雜或者梯度摻雜的疊片，這無疑增大了增益介質的制備難度和復雜性；當采用液體直接冷卻時，由于激光直接穿過冷卻液，在激光振蕩中的流場特性、熱力學特性及各種光學特性相互耦合，使得作用過程復雜。雖然借助主動光學控制技術，可以對一些低頻的像差進行校正，但在激光通光路徑中有高頻湍流產生時，其光束質量還需要采用更好的控制手段。為了解決上述技術問題，本專利技術實施例提出了一種雙面傳導冷卻的多薄片激光頭，增益介質為間隔分立的多個薄片，采用將熱量從增益介質雙面經低壓氣體導入熱沉，再由熱沉將熱量傳遞到外接冷卻金屬的散熱方法，達到對多薄片激光頭有效散熱的目的，為高功率多薄片激光器的研究提供了一種新的技術手段。圖1為本專利技術實施例提供的雙面傳導冷卻多薄片激光頭結構示意圖，如圖1所示，本專利技術實施例提供一種雙面傳導冷卻多薄片激光頭，包括：增益介質、熱沉、冷卻金屬、增益介質與熱沉間的第一接觸物和熱沉與冷卻金屬間的第二接觸物；所述增益介質和所述熱沉均呈片狀，所述增益介質和所述熱沉平行間隔分立設置；所述冷卻金屬置于增益介質和熱沉的外圍，所述增益介質和所述熱沉的中心同軸，所述增益介質所在平面垂直于此中心軸線；所述增益本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種雙面傳導冷卻多薄片激光頭，其特征在于，包括：/n增益介質、熱沉、冷卻金屬、增益介質與熱沉間的第一接觸物和熱沉與冷卻金屬間的第二接觸物；/n所述增益介質和所述熱沉均呈片狀，所述增益介質和所述熱沉平行間隔分立設置；所述冷卻金屬置于增益介質和熱沉的外圍，且冷卻溫度恒定，所述增益介質和所述熱沉的中心同軸，所述增益介質所在平面垂直于此中心軸線；/n所述增益介質的邊緣與所述熱沉的邊緣通過第一接觸物相連接，使所述增益介質與所述熱沉之間形成第一夾層；/n所述熱沉兩個面的邊緣與所述冷卻金屬的內壁通過第二接觸物相連接，使所述熱沉與所述冷卻金屬之間形成第二夾層，所述增益介質與所述冷卻金屬之間形成第三夾層。/n

【技術特征摘要】
1.一種雙面傳導冷卻多薄片激光頭，其特征在于，包括：
增益介質、熱沉、冷卻金屬、增益介質與熱沉間的第一接觸物和熱沉與冷卻金屬間的第二接觸物；
所述增益介質和所述熱沉均呈片狀，所述增益介質和所述熱沉平行間隔分立設置；所述冷卻金屬置于增益介質和熱沉的外圍，且冷卻溫度恒定，所述增益介質和所述熱沉的中心同軸，所述增益介質所在平面垂直于此中心軸線；
所述增益介質的邊緣與所述熱沉的邊緣通過第一接觸物相連接，使所述增益介質與所述熱沉之間形成第一夾層；
所述熱沉兩個面的邊緣與所述冷卻金屬的內壁通過第二接觸物相連接，使所述熱沉與所述冷卻金屬之間形成第二夾層，所述增益介質與所述冷卻金屬之間形成第三夾層。


2.根據權利要求1所述的雙面傳導冷卻多薄片激光頭，其特征在于，所述增益介質的厚度小于10毫米。


3.根據權利要求1所述的雙面傳導冷卻多薄片激光頭，其特征在于，所述第一夾層的厚度小于100微米。

【專利技術屬性】
技術研發人員：聶樹真，趙天卓，樊仲維，肖紅，趙晟海，
申請(專利權)人：中國科學院光電研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11