微珠浸沒式液體激光器及其熱管理方法技術

本發明專利技術屬液體激光器技術領域，具體涉及一種微珠浸沒式液體激光器及其熱管理方法。其方法的特點是將激光性能優良的稀土摻雜固體激光增益介質經過光學加工獲得微珠，將微珠固定在熒光流動池中并完全浸沒在匹配液中，折射率匹配液在微珠和熒光流動池四壁間流動，對增益介質進行直接冷卻將泵浦過程中產生的廢熱帶走。本方法具有不間斷、實時、高效冷卻的特點，可大大提高了熱管理效率，極限熱功率負載，從而允許注入更高的泵浦功率并大幅提高激光輸出功率和頻率。同時為光學性能優異但受生長尺寸限制而未被廣泛應用的激光晶體提供了新的應用途徑，具有廣泛的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬液體激光器
，具體涉及一種。
技術介紹
隨著現代科學技術的發展，高功率高重復強激光技術目前己成為一個重要的熱點方向，同時也對激光技術提出了更高的要求輸出閾值低、光束質量好、能夠輸出高平均功率、高能量和高重復率的使用。高能核聚變模擬實驗所需的超強激光系統不僅是未來人類新能源的希望，而且在國防上也有著極其重要的地位。目前已經發展和正在發展的高重復強激光系統，除了部分領域在探索氣體激光 夕卜，其余的大都采用固體激光，使用固態激光工作物質。但固態強激光系統由于激光增益介質的熱傳導效率較低并且在高能激光作用下會產生破壞性損傷，運行中的熱管理等問題，在很大程度上限制了它的重復使用率、使用范圍、運轉周期和壽命。美國利弗莫爾國家實驗室提出了采用激光器工作過程中不冷卻，停止運轉后對工作介質進行強制快速致冷的固體激光器熱容模式(IEEE J. Quantum Electron.，31:293-300)。該方法在一定程度上提高了熱管理效率，改善了輸出光束質量，提高了平均輸出功率和工作效率，但并未從根本上解決工作過程中的熱效及工作介高能損傷等問題。
技術實現思路
本專利技術提出一種，主要針對現有技術無法有效解決熱效及工作介高能損傷等問題。本專利技術的具體技術解決方案如下該微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，包括以下步驟I]制備激光增益微珠；2]將多個激光增益微珠置于激光器的熒光流動池內，多個激光增益微珠之間不產生相對位移；3]將折射率匹配液通入熒光流動池內，折射率匹配液流過多個激光增益微珠之間的間隙，通過熱交換的方式將泵浦過程中產生的廢熱帶出激光器。上述步驟2中，將多個激光增益微珠以矩形陣列方式排布在激光器的熒光流動池內，激光增益微珠可以實際應用環境以矩形陣列排列為一層或多層。上述激光增益微珠是摻雜有稀土離子的玻璃或晶體，以摻鉺磷酸鹽玻璃，YbiYAG晶體或NdP5O1Uas體為佳；激光增益微珠的直徑尺寸以f40mm為佳；折射率匹配液為有機溶齊U，以重水、溴代萘、液體石臘或苯甲醇為佳；熒光流動池為石英熒光流動池或同增益介質折射率相近的玻璃熒光流動池，以熒光流動池為石英熒光流動池或K9玻璃熒光流動池為佳。該微珠浸沒式液體激光器包括熒光流動池，熒光流動池一端設置有液體進口，另一端設置有液體出口，熒光流動池內設置有多個激光增益微珠，各激光增益微珠在熒光流動池內不產生相對位移。上述多個激光增益微珠以矩形陣列方式排布在激光器的熒光流動池內，激光增益微珠以矩形陣列排列為一層或多層。上述液體進口所在一端的側壁與激光增益微珠之間，液體出口所在一端的側壁與激光增益微珠之間設置有用于防止液體流動帶動激光增益微珠穩定進出口液體流速分布的阻隔層。上述激光增益微珠的直徑尺寸為f 40mm ;熒光流動池內腔尺寸為r40mmXr400mmX 10^600mm ;激光增益微珠是摻鉺磷酸鹽玻璃，YbiYAG晶體或NdP5O14晶體；熒光流動池為石英熒光流動池或K9玻璃熒光流動池為佳。本專利技術的優點如下 該微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，采用激光特性優異的固體微珠做為激光增益介質，可以直接提高增益介質的散熱面積，而微球結構具有極佳的機械性能和抗熱沖擊能力，可以承受較高的熱負載；另外，微球直徑僅為毫米量級，可以采用光學性能優異但受生長尺寸限制而未被廣泛應用的激光晶體，進一步提高激光材料的光學性能；該微珠浸沒式液體激光器采用冷卻液完全浸沒增益介質并循環流動，可以對增益介質進行不間斷直接冷卻的熱管理，液體對激光工作物質直接進行冷卻，大大提高了熱管理效率，極限熱功率負載大幅提聞，從而允許注入更聞的栗浦功率并大幅提聞激光輸出功率和頻率，降低激光泵浦過程中增益介質的高能損傷。附圖說明圖I為本專利技術的激光增益介質泵浦示意圖；圖2為本專利技術的微珠浸沒式液體激光器熱管理方法原理示意圖(Y-Z剖面圖)附圖明細如下I為泵浦光，2為微珠增益介質，3為非通光面，4為折射率匹配液進口，5為折射率匹配液出口，6為微珠間隙匹配液，7、8為匹配液進出口阻隔層。具體實施例方式本專利技術的原理如下將激光性能優良的固體激光增益介質經過光學加工獲得微珠，將微珠固定在熒光流動池中，折射率匹配液在微珠和熒光流動池四壁間流動，通過匹配液的循環流動對增益介質進行直接冷卻將泵浦過程中產生的廢熱帶走，最終實現激光器工作過程中的有效熱管理。本專利技術使用的微珠為玻璃或者晶體材料，如摻稀土離子磷酸鹽玻璃或者Re: YAG晶體等，經過光學加工成尺寸直徑為廣40_的微珠。本專利技術使用的熒光流動池為石英或者玻璃材料，四面為通光窗口，流動池內可填充單排或多排微珠陣列，上下兩端密封并留有液體進出口。本專利技術使用的折射率匹配液為有機液體的單一或者多組分混合液，通過對其進行動態調整實現在激光輸出波長與固體增益介質折射率匹配。以下結合附圖及實施例對本專利技術做詳細說明。該微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，包括以下步驟I]制備激光增益微珠，固體激光增益微珠的直徑為l 40mm,材料為稀土摻雜激光玻璃或者激光晶體材料；以摻鉺磷酸鹽玻璃，Yb: YAG晶體或NdP5O14晶體為佳；2]將多個激光增益微珠置于激光器的熒光流動池內，多個激光增益微珠之間不產生相對位移；一般是將多個激光增益微珠以矩形陣列方式排布在激光器的突光流動池內，激光增益微珠可以實際應用環境以矩形陣列排列為一層或多層；當然也可以采取其它排列方式，但應至少保證在通入折射率匹配液后激光增益微珠之間不會產生相對位移；3]將折射率匹配液通入熒光流動池內，折射率匹配液流過多個激光增益微珠之間的間隙，通過熱交換的方式將泵浦過程中產生的廢熱帶出激光器；具體如圖2所示，折射率匹配液通過進口 4進入熒光流動池，在微珠陣列的間隙流動并實現熱交換以帶走泵浦過程中產生的廢熱，對增益介質進行不間斷直接冷卻，最后通過出口 5流出增益區。其中7和8為阻隔層，防止液體流動帶動微珠增益介質，同時可以穩定進出口液體流速分布。折射率匹 配液為有機溶劑，以重水、溴代萘、液體石臘或苯甲醇為佳；熒光流動池為石英熒光流動池或同增益介質折射率相近的玻璃熒光流動池，以熒光流動池為為石英熒光流動池或K9玻璃熒光流動池為佳。權利要求1.一種微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，其特征在于，包括以下步驟 1]制備激光增益微珠； 2]將多個激光增益微珠置于激光器的熒光流動池內，多個激光增益微珠之間不產生相對位移； 3]將折射率匹配液通入熒光流動池內，折射率匹配液流過多個激光增益微珠之間的間隙，通過熱交換的方式將泵浦過程中產生的廢熱帶出激光器。2.根據權利要求I所述的微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，其特征在于所述步驟2中，將多個激光增益微珠以矩形陣列方式排布在激光器的熒光流動池內。3.根據權利要求2所述的微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，其特征在于所述步驟2中，激光增益微珠以矩形陣列排列為一層或多層。4.根據權利要求I至3任一所述的微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，其特征在于所述激光增益微珠是摻雜有稀土離子的玻璃或晶體；所述激光增益微珠的直徑尺寸為r40mm ;所述折射率匹配液為有機溶劑；所述熒光流動池為石英熒光流動池或同增益介質折射率相近的玻璃熒光流動池。5.根據權利要求4所述的微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，其特征在于所述激光增益微珠是摻鉺磷本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微珠浸沒式液體激光器熱管理方法，其特征在于，包括以下步驟：1]制備激光增益微珠；2]將多個激光增益微珠置于激光器的熒光流動池內，多個激光增益微珠之間不產生相對位移；3]將折射率匹配液通入熒光流動池內，折射率匹配液流過多個激光增益微珠之間的間隙，通過熱交換的方式將泵浦過程中產生的廢熱帶出激光器。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：佘江波，彭波，韋瑋，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：