CN114865431A - 一种干冰风冷激光器内部器件温度控制*** - Google Patents
一种干冰风冷激光器内部器件温度控制*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种干冰风冷激光器内部器件温度控制***，该***基于干冰相变对激光器内部不同晶体分别进行温度控制，该***包括LD激光二极管、风冷组件、第一晶体、第二晶体、热沉、半导体制冷片、热管、干冰储藏腔、通风口、隔热层、温度传感器、电动阀、微处理器；第一晶体为激光器工作晶体，第二晶体为激光器内部的其他晶体，每个晶体的侧面包裹着热沉，两晶体的热沉之间用隔热层隔绝，温度传感器感知热沉表面温度，转换为电信号送到微处理器，微处理器控制电动阀，电动阀控制风冷***的风量，从而控制换热效果，使***维持在一个较合理的温度范围内，本发明提高了两个晶体的匹配度，进一步提高了激光的光束质量和激光的传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术，属于激光器的散热技术和温度控制领域，具体涉及一种固体激光器干冰风冷温度控制***。
背景技术
激光器在工作过程中，晶体吸收泵浦光束的能量容易发热，大量的热会导致晶体内部能量分布不均匀，进而影响激光器的输出性能，为满足输出光要求，激光器内部常常选用两个或两个以上的不同晶体进行配合实现满足需求的激光输出。因此，高效的温度控制技术是推进激光器不断发展的重要支撑。
目前，采用的激光器温控***主要包括水冷与风冷两大类方法。风冷方法是激光器常见的一种散热方式。发热晶体产生的热量传递到热沉，利用强制对流将热量导走。虽然强制对流相比自然对流换热系数已经有了一定的提高，但是换热系数有限仍然是制约风冷散热发展的重要原因。
固体激光器的温度控制装置种类较多，但大部分只针对激光晶体或对谐振腔进行温度控制，没有考虑到工作晶体与其它晶体的一系列热效应和导热速率不一致导致的温度匹配问题，也因此激光器谐振腔内部多个晶体产生工作不匹配问题，降低了激光的输出功率和光束质量，因此，急需提供一种能够将激光器内部的激光晶体和其它晶体分别控制温度的温度控制***。
发明内容
针对现有激光器温控技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种干冰风冷激光器内部器件温度控制***，将强制对流与干冰相变吸热相结合，对激光器内部的多块晶体分别进行温度控制，结合半导体制冷片分别对不同晶体进行精确控温可有效解决现有技术所存在的问题。
为了达到上述目的，本发明提供的干冰风冷激光器内部器件温度控制***，包括LD激光二极管、风冷组件、晶体1、晶体2、热沉、热管、半导体制冷片、干冰储藏腔、隔热层、通风口、温度传感器、电动阀、微处理器，第一晶体为激光器的工作晶体，第二晶体为激光器内的其他晶体，两个晶体的侧面均包裹有热沉，干冰储藏腔内放置干冰，干冰储藏腔与风冷组件配合设置，容风冷组件产生的气流流经干冰储藏腔进行散热。
散热***还包括控制组件，所述控制组件包括微处理器、温度传感器以及电动阀，所述电动阀设置在干冰储藏腔与风冷组件之间，可控制风冷组件产生气流进入干冰储藏腔；所述温度传感器安置在激光器热沉表面，微处理器与温度传感器数据连接，并调节控制电动阀。
进一步地，所述风冷组件包括风扇。
本发明提供的散热方案还增加了温度控制方案，通过温度传感器对激光器热沉的温度进行监测，进一步转换为电信号反馈到微处理器，微处理器对电动阀进行控制，调节风速流量，风扇散热与干冰相变吸热有机结合，并基于相变吸热的原理，降低了腔体内部空气介质的温度，起到强化传热的作用。
在第一晶体的一侧通光端面使用LD激光二极管进行端面泵浦，以保证实现足够的输出功率。
热沉的表面分别用金属铟焊接在第一晶体的表面和第二晶体的表面。
半导体制冷片的制冷面与热沉用导热硅脂进行连接。
由此实现第一晶体和第二晶体产生的热由金属铟到热沉顶面再到热沉底面，然后经微处理器对风冷***电动阀进行控制，通过干冰相变分别调节两个晶体温度，再经散热风扇传输到工作环境中。
第一晶体为固体激光器的增益介质，第二晶体为激光器内的其他晶体，传统的激光器多为对激光晶体和其他晶体同时进行温度控制，但是不同晶体的热效应和导热速度存在差别。因此采用干冰相变对激光晶体和其他晶体分开进行温度控制，且晶体的热沉之间用隔热层将温度隔开，不会对彼此产生影响，激光工作晶体与其他晶体的匹配度提高，同时也提高了激光的转化效率和光束质量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、对比于单个激光谐振腔的温度控制，本方案利用分立的干冰储藏腔将激光晶体和其他晶体分别进行温度控制，使得不同晶体在工作时均能保持在最佳工作温度，从而减小了温度不匹配带来的损耗，提高了激光在谐振腔内的传输效率和激光的光束质量。
2、对比于传统的水冷散热，本方案采用干冰相变和风冷相结合的方式，通过控制组件对热沉和晶体进行独立的温度控制，通过散热风扇将激光器产生的热量导出，极大提高了两个晶体的匹配性。
附图说明
图1为本发明所述的采用干冰相变分别对晶体1和晶体2进行温度控制的结构图。
图2是本发明的温度传导控制的示意图。
图中：1、风冷组件a，2、电动阀a，3、干冰储藏腔a，4、散热装置，5、热管a，6、温度传感器a，7、半导体制冷片a，8、导热硅脂，9、热沉a，10、晶体a，11、金属铟，12、半导体制冷片b，13、温度传感器b，14、热管b，15、干冰储藏腔b，16、电动阀b，17、风冷组件b，18、风冷组件c，19、电动阀c，20、干冰储藏腔c，21、热管c，22、温度传感器c，23、半导体制冷片c，24、热沉b，25、晶体b，26、半导体制冷片d，27、温度传感器d，28、热管d，29、干冰储藏腔d，30、电动阀d，31、风冷组件d，32、隔热层，33、通风口a，34、通风口b。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段易于明白了解，下面结合附图，进一步阐述本发明。
本方案把干冰相变吸热与风冷***有机的相结合，不仅优化了激光器散热***的空间结构，而且能够利用干冰升华吸热对激光器的热沉直接进行散热。利用干冰升华吸热与风扇对流共同对激光器的热沉进行降温处理。利用外部电路对半导体制冷片进行温度控制，进一步对不同晶体分别进行精确控温。
如图1，2所示，本发明推出一种对激光器内部的激光晶体和其他晶体分别进行干冰相变散热和温控的温度控制***，包括：晶体a、晶体b、热沉、干冰储藏腔、风冷组件、散热风扇、控制组件。为了确保晶体a和晶体b之间的温度匹配，需要从多个方面和多种手段来控制，具体实施方式为：
本发明的晶体a10为Nd:YVO4晶体，用作激光工作物质，最佳工作温度为30.0～36.0℃，晶体b25为KTP晶体，用作产生倍频激光，最佳工作温度为21.0～22.9℃。
所述Nd:YVO4晶体10和KTP晶体25的侧面用金属铟焊接高导热性热沉，两热沉之间用石棉绝热膜23隔绝温度，隔热层的厚度为2～3mm。
所述热沉9和24与温度传感器6、13、22、27之间采用涂覆导热硅脂的方式降低接触热阻，导热硅脂涂层的厚度为0.1～0.3mm。
本发明通过温度传感器6、13、22、27对激光器热沉9、24分别进行温度监测，进一步转换为电信号反馈到各自的微处理器，微处理器分别对各自的电动阀进行控制，调节风速流量，风扇散热与干冰相变吸热结合，降低腔体内部空气介质的温度。
区别于现有的技术，本实施例中温度传感器6、13、22、27对热沉9、24进行温度测量，反馈到微处理器调节各自的电动阀，把Nd：YVO4晶体的温度控制在30.0～36.0℃，把KTP晶体的温度控制在21.0℃～22.9℃。
如图2所示，温度传感器1、2分别测量热沉1、2的温度，并分别以电信号的形式反馈到微控制器1、2，微控制器1、2分别调节电动阀1、2，进而控制风冷组件1、2，通过对风速的控制对干冰1、2进行升华吸热降温，最后通过散热风扇将热量导出，由此可将晶体1和晶体2分开进行控制，从而提高了激光在谐振腔内的传输效率和输出激光光束质量。
本发明也适用于包含多块晶体的激光器进行温度控制，将每块晶体都控制在其最佳工作温度以保证激光器的效果最佳。
本实施方式所述的倍频固体激光器输出功率为198mW，整机尺寸为50mm*80mm*160mm。
Claims (6)
1.一种干冰风冷激光器内部器件温度控制***，其特征在于：包括LD激光二极管、风冷组件、第一晶体、第二晶体、热沉、半导体制冷片、热管、干冰储藏腔、通风口、隔热层、散热风扇、温度传感器、电动阀和微处理器；LD激光二极管为激光器的泵浦源，风冷组件是激光器内干冰相变的风力来源，第一晶体为激光器的激光晶体，第二晶体为激光器内的其他晶体，在第一晶体和第二晶体的侧面包有热沉，干冰储藏腔内存放干冰，热管进行腔内热量传递，温度传感器感知热沉表面温度，转换为电信号送到微处理器，微处理器控制电动阀，电动阀控制风冷***的风量；外部电路控制半导体制冷片，对热沉进行精确控温。散热风扇将腔内产生的热量导出；
所述第一晶体的一侧端面使用激光二极管进行泵浦，另一端面使用第二晶体对输激光进行倍频、选频或调Q；所述热沉分别包裹在第一晶体和第二晶体的侧面，两热沉中间用隔热层将温度隔开，热沉与晶体之间热沉与两晶体用金属铟焊接；
所述热管是铝-丙酮热管；
所述隔热层是石棉绝热膜；
所述制冷片的制冷面通过导热硅脂与热沉进行温度交换，散热面所在腔与干冰储藏腔用热管连接。
所述散热片通过散热风扇将热量导出激光器。
2.根据权利要求1所述的一种干冰风冷激光器内部器件温度控制***，其特征在于，所述散热***还包括控制组件，所述控制组件包括微处理器、温度传感器以及电动阀，所述电动阀设置在干冰储藏腔与风冷组件之间，可控制风冷组件产生气流进入干冰储存腔的状态；所述温度传感器相对于安置在激光器热沉设置，所述微处理器与温度传感器数据连接，并调节控制电动阀。
3.根据权利要求1所述的一种干冰风冷激光器内部器件温度控制***，其特征在于：每个晶体工作时的产热量和导热速度不同，将两个晶体分别控制在温度工作状态，从而提高两个晶体之间的匹配度；散热风扇将晶体产生的热量传导出去。
4.根据权利要求1所述的一种干冰风冷激光器内部器件温度控制***，其特征在于：所述热沉是导热系数大于晶体的高导热类型热沉，材料是黄铜。
5.根据权利要求1所述的一种干冰风冷激光器内部器件温度控制***，其特征在于：LD激光二极管、第一晶体、第二晶体、热沉、干冰储藏腔紧密封装在一起。
6.根据权利要求1所述的一种干冰风冷激光器内部器件温度控制***，其特征在于，所述风冷组件包括风扇。
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