CN100379101C - 全固态热容激光器的热管理方法及其热管理结构 - Google Patents

Abstract

一种全固态热容激光器的热管理方法及其热管理结构，其方法的特点是抽运光和输出激光方向一致，在激光发射阶段激光增益介质非抽运面近似绝热，冷却阶段采用流速增加的常温的冷却介质进行冷却，在冷却初期，采用常温低流速的冷却介质对热的激光介质进行强迫冷却，数秒后迅速增加冷却介质的流速。热管理结构由激光介质非抽运面的绝热结构、冷却抽运面的冷却通道、冷却介质及其流速的控制***构成。利用本发明改善激光发射阶段增益介质内温度梯度，对增益介质进行有效冷却，保证冷却过程中增益介质内的应力处在安全应力范围。

Description

全固态热容激光器的热管理方法及其热管理结构

技术领域

本发明涉及固体热容激光器，特别是一种全固态热容激光器的热管理方法及其热管理结构，能改善激光发射阶段激光增益介质内温度梯度，在冷却阶段能短时间内对其进行有效安全冷却的热管理方法。它是一种用于激光二极管阵列(LaserDiode Array，简称为LDA)抽运高平均功率固体热容激光器中，能实现对激光增益介质进行有效热控制的热管理。

技术背景

连续运转下的高平均功率固体激光器，激光的发射和冷却同时进行。本发明涉及的是一种LDA抽运固体激光器，并在热容方式下工作，即激光的发射过程和对激光增益介质的冷却过程在时间上是分开的。理论计算表明，固体热容激光器(SolidState Heat Capacity Laser，简称为SSHCL)非绝热的边界条件会导致工作介质在垂直光轴方向产生温度梯度，由此导致光束有效通光孔径的减小或将会对波面产生影响[参见侯立群等，中国激光，2006，33(7)]。因此在实验中应尽量采取一些措施使介质接近准绝热状态，从而保证非通光方向温度的均匀性。在SSHCL的激光发射阶段，激光介质的温度不断升高，在激光发射结束后，为尽快进入下一个工作周期，必须对热的激光增益介质进行强制冷却，这会导致介质内的温度分布与发射阶段截然相反，且与实时冷却方式介质的冷却有着不同的特性，主要表现在冷却初期温度梯度及瞬时应力较大。

关于SSHCL热管理***的设计方法，国内尚无公开发表的文献。国外的一些文章对SSHCL工作介质的冷却方法进行了讨论：Albrecht等人探讨了气体强迫对流冷却和相变冷却法在SSHCL介质冷却中的应用，并给出了估算一维近似下板条冷却阶段最大温差和最大应力的公式[Laser and Particle Beams，1998，16(4)：605-225]。美国利弗莫尔实验室则提出增益介质交换的方法(采用可活动式的板条)，可实现SSHCL的准连续运转[专利U.S.6,862,308]。

发明内容

本及明的目的是，提供一种全固态热容激光器的热管理方法及其热管理结构，以改善激光发射阶段增益介质内温度梯度，且在冷却阶段能在短时间内对SSHCL增益介质进行有效安全冷却的热管理，除了在激光发射阶段能对增益介质有效绝热从而改善非通光方向的温度梯度外，还能在冷却***启动后短时间内对增益介质进行冷却，从而保证冷却过程中介质内最大应力在安全应力范围内。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种全固态热容激光器的热管理方法，其特征是抽运光和输出激光方向一致，在激光发射阶段激光增益介质非抽运面近似绝热，冷却阶段采用流速增加的常温的冷却介质进行冷却，在冷却初期，采用常温低流速的冷却介质对热的激光介质进行强迫冷却，数秒后迅速增加冷却介质的流速。

所述的冷却介质的低流速的下限为维持冷却介质处于湍流状态。

实施上述的全固态热容激光器的热管理方法的热管理结构，包括：

激光介质非抽运面的绝热结构：由压紧装置将一绝热材料层贴合于激光介质的非抽运面；

冷却抽运面的冷却通道：冷却通道由窗口玻璃、激光介质的两抽运面及置于二者周沿的密封圈、冷却介质的入口和出口构成；

冷却介质的流速控制***。

所述的冷却介质为水，或气体。

一种全固态热容激光器的热管理方法，其特征是抽运光和输出激光方向一致，在激光发射阶段激光增益介质非抽运面近似绝热，冷却阶段采用流速增加的常温的冷却介质进行冷却。

由于冷却通道尺寸的有限性，可将本换热问题视为有限尺寸管内的强迫对流换热。由于在冷却时激光已停止发射，故可以使冷却介质保持在湍流状态以提高对流换热系数。针对湍流状态下的对流换热问题，对流换热系数h与冷却介质的热物理性质、流速u及冷却通道的特征尺寸d_e有关，假设冷却介质在冷却过程中物性不变且在冷却通道中的流动已充分发展，则对流换热系数h可表示为：

$h=0.023{\left(\frac{{\mathrm{ud}}_e}{v}\right)}^{0.8}{P_r}^{0.4}\frac{k}{d_e}---\left(1\right)$

其中，k为冷却介质的热传导系数；v为冷却介质的运动黏度；P_r为普朗特数，由冷却介质的类型和温度决定；d_e为通道的特征尺寸，由下式计算得出：

$d_e=\frac{2\mathrm{bH}}{b+H}---\left(2\right)$

其中，b为激光介质的高度，H为冷却通道的高度。

当冷却结构和冷却介质确定后，换热系数只和冷却介质流速有关。在冷却初期，采用常温低流速的冷却介质对热的激光介质进行强迫冷却，这时换热系数较低，在冷却激光介质的同时保持了冷却所致应力在安全范围之内。冷却介质的流速可由下式计算：

$u={{\mathrm{vd}}_e}^{0.25}{\left(\frac{h}{0.023{P_r}^{0.4}k}\right)}^{1.25}---\left(3\right)$

初始流速的下限应能维持冷却介质处在湍流态，这样可取得较好的冷却效果。冷却数秒后迅速线性增加冷却介质的流速，增加的幅度视实际对冷却时间的要求，提高流速的时间转折点和被冷却的激光介质热性质有关，热扩散系数大的激光介质的时间点短，热扩散系数小的激光介质的时间点长。

本发明的优点在于：在激光发射阶段，绝热结构保证了激光介质在非通光方向处在近似绝热的条件下，因此改善了介质在非通光方向上的温度分布，使得温度梯度及应力梯度对输出波面的影响降低；在冷却阶段，实时控制冷却介质的流速以改变对流换热系数，冷却初期采用低流速，数秒后迅速提高冷却介质的流速。同时采用的是常温的冷却介质，与低温冷却介质相比，既降低了对冷却***的要求又降低了冷却初期与被冷却介质接触时带来的应力。这样可使冷却初期激光介质内的最大应力降低10％以上，从而不至超过安全应力范围，同时有效缩短了冷却时间，缩短的程度取决于实际应用需求所采取的冷却结构和冷却介质流速。

附图说明

图1为本发明的激光增益介质示意图

图2为本发明热管理结构的结构原理示意简图(Y-Z剖面图)

图中：1为抽运光，2为抽运面，3为非抽运面，4、11为窗口玻璃，5、8为出水管，6、16为压板，7、17为绝热材料，  9、14为密封圈，10为激光介质，12、19为冷却通道，13为冷却介质，15、18为进水管。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作详细说明。

图1为本发明的激光增益介质结构示意图，激光介质10可以是激光玻璃，也可以是Nd:GGG或Nd:YAG或其它可工作于热容方式的激光晶体。抽运光束1从Z方向两侧入射，X-Y面为抽运面，其它面为非抽运面。

图2为本发明热管理结构的结构示意简图。本发明涉及的热管理结构由两大部分组成：

1)压板6、16和绝热材料7、17构成绝热结构，其中绝热材料7、17贴合于激光介质10，压板6、16分别在绝热材料7、17之外将所述的绝热材料7、17固定；

2)窗口玻璃4、11分别通过密封圈9、14和激光介质10构成板条形激光介质10两侧的冷却通道12、19，该通道高度H根据实际需要设计。H直接影响到换热系数h，可由公式1进行理论估算，设计高度应保证换热系数不低于0.3W/cm²K。5、8为出水管，15、18为进水管。

在激光发射阶段，绝热结构改善了非通光方向的温度分布，未采用绝热结构时温度分布除通光方向不均匀外，在Y方向也为非均匀分布；采用绝热结构后，温度分布在Y方向是均匀的，由此降低了输出波面的畸变。冷却***开始运转时，通道中通以常温的冷却介质13，初期采用低流速，数秒后迅速线性均匀提高流速，提高对流换热系数，从而达到安全快速冷却的目的。

针对激光发射时间10秒钟、平均输出功率5kW的Nd:GGG板条热容激光器设计方案，冷却介质为室温水的情况下，当通道高度H＝5mm时，本发明在冷却初始保持水流速1m/s(对流换热系数约0.4W/cm²K)，约3秒后迅速提高流速，这样，在冷却阶段最大应力约为85MPa，处于安全应力范围之内，且在30秒后板条形激光介质10的温度分布均匀，趋于室温293K。

Claims (4)

1.一种全固态热容激光器的热管理方法，其特征是抽运光和输出激光方向一致，在激光发射阶段激光增益介质非抽运面近似绝热，冷却阶段采用流速增加的常温的冷却介质进行冷却，在冷却初期，采用常温低流速的冷却介质对热的激光介质进行强迫冷却，数秒后迅速增加冷却介质的流速。

2.根据权利要求1所述的全固态热容激光器的热管理方法，其特征是所述的冷却介质的低流速的下限为维持冷却介质处于湍流状态。

3.实施权利要求1所述的全固态热容激光器的热管理方法的热管理结构，其特征在于它包括：

激光介质非抽运面的绝热结构：由压紧装置将一绝热材料层贴合于激光介质的非抽运面；

冷却抽运面的冷却通道：冷却通道由窗口玻璃、激光介质的两抽运面及置于二者周沿的密封圈、冷却介质的入口和出口构成；

冷却介质的流速控制***。

4.根据权利要求3所述的热管理结构，其特征在于所述的冷却介质为水或气体。

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