专利名称：固体激光介质动态散热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体激光介质动态散热装置，本发明应用于全固态激光器。
背景技术：
激光二极管泵浦的全固体激光器以其效率高、结构紧凑、寿命长、光束质量高、性能稳定等特点，在激光打孔、焊接、切割、微调、划片、打标、热处理；医学诊断及激光手术；激光测污和环境监控；全息摄影、激光存储；水下探测、激光通讯、激光光谱分析、激光测距、激光雷达、遥感、通信、目标指示、制导、制眩和惯性约束聚变以及舞台效果、远距射灯等领域有着广泛的应用。
然而，激光介质吸收激光二极管泵浦光能量，引起激活粒子数反转产生激光振荡的同时，只有一部分泵浦光能量转变为激光辐射，剩余泵浦光能量则由无辐射跃迁以及主晶格的吸收转变为激光介质的热能，并导致了激光介质的非均匀温升。伴随激光介质的非均匀温升，激光介质也显现出一系列的热现象，如光弹效应、热形变、热致应力双折射等现象。一般讲，激光介质产生的热效应对激光谐振腔内振荡激光产生的效果，可用有一定焦距的凸透镜来近似等效，即称为激光晶体的热透镜效应。激光介质的透镜效应会影响到激光器的性能，诸如谐振腔的稳定性、腔内模尺寸、光—光转换效率、输出功率以及输出光束质量等。而且，激光介质非均匀温升产生的内应力分布还可导致热开裂等现象，极大地损害了激光器寿命。因此，消除与减弱激光介质热效应的影响成为提高全固态激光器性能的关键因素之一。
目前，激光二极管泵浦的全固态激光器中减弱激光介质热效应的方法均采用静态散热方式，即依据激光介质尺寸设计热沉，将介质用铟膜包裹后安放于热沉中，激光介质以及热沉被固定于谐振腔内保持不动。通过冷却热沉的方法，保持激光介质周边温度相对稳定，这样激光介质吸收泵浦光能量产生的热量由两方面散失，即以热传导的方式由周边与热沉散失，以热对流的方式由端面和空气交换。全固态激光器稳定工作时，激光介质内部的温度场是一个静态的非均匀温场。
激光介质的这种静态散热方式存在着很多弊端，如由于介质的热传导率较低，造成介质内部单位体积内的热荷载较大，静态的非均匀温场最高温升较大。激光介质热效应产生的强的热透镜效应、热应力双折射等现象，增加了谐振腔的损耗，影响了谐振腔的稳定性与腔内振荡激光的偏振化状态。激光介质的这种静态散热方式同时还限制了激光二极管的泵浦功率，进而影响了激光器的输出功率以及输出光束质量。因此，激光介质的静态散热方式已经不能满足目前高功率激光二极管泵浦的需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种固体激光介质动态散热装置，该装置可以有效地减弱激光介质非均匀温升引起的光弹效应、热形变以及热致应力双折射带给激光器的影响，提高了激光介质内泵浦光的能量密度、激光器的输出功率以及输出光束质量，而激光器同时具有体积小、效率高、结构紧凑、工作安全、适应性强等特点。
为解决上述技术问题本发明是这样实现的本发明包括激光介质(1)、热沉(2)、二维运动机构(3)、伺服控制系统(4)、计算机(5)。将激光介质(1)置于热沉(2)中，并将所述激光介质(1)以及热沉(2)安装于二维运动机构(3)上，所述二维运动机构(3)能使激光介质(1)及其热沉(2)处于运动状态。
所述二维运动机构(3)通过伺服系统(4)控制发生运动。
二维运动机构(3)承载着激光介质(1)在垂直于泵浦光光轴(6)的平面内做各种运动。
所述伺服系统(4)与计算机(5)相连，也可通过计算机(5)编程控制二维运动机构(3)的方式。
所述激光介质(1)用铟膜包裹后置于热沉(2)中。
所述激光介质(1)可为长方形或圆棒形等。
本发明的有益效果是激光介质吸收激光二极管泵浦光能量所产生的热量以热传导和热对流的方式由周边以及端面散失的同时，由于激光介质的运动，使得介质内部热源不断地被平移，从而降低了激光介质内部最大温升量，使得激光介质的热效应问题被减弱。使得激光二极管的泵浦功率得以增加，谐振腔品质因素得以提高，激光器的输出光束质量得以改善、输出功率也得以提高。
图1为现有技术长方形激光介质散热装置结构示意图；图2为现有技术圆棒形激光介质散热装置结构示意图；图3为本发明固体激光介质体动态散热装置结构示意图；图4为本发明固体激光介质的动态方式示意图；图5为本发明固体激光介质的动态方式示意图；图6为本发明固体激光介质体动态散热装置泵浦光光轴示意图。
具体实施例方式
首先，依据激光介质尺寸设计热沉；其次，将激光介质用铟膜包裹后安放于热沉中，通过冷却热沉的方法保持激光介质周边温度相对稳定；最后，将热沉安装于预先设计的二维运动机构上，通过伺服系统控制二维运动机构发生运动。伺服系统可与计算机相连，可以通过计算机编程控制二轴的平面内做各种平移运动，如圆形平移、水平平移、垂直平移或其他任意形式的平移。
下面结合附图对本实用新型的内容作进一步说明参见图1、图2为现有技术激光介质散热装置，包括激光介质(1)、热沉(2)。其中激光介质(1)有多种切割方式，如长方形激光介质或圆棒形激光介质。热沉(2)的尺寸需依据激光介质(1)形状及尺寸进行设计加工，以保障两者有良好的热接触。热沉(2)的温度可以通过循环冷却水或半导体制冷模块等方式控制。激光介质(1)被安装于热沉(2)之中。安装的过程是先将激光介质(1)用铟膜包裹，在安放于热沉(2)中。通过冷却热沉的方法，保持激光介质(1)周边温度相对稳定。这样激光介质(1)吸收泵浦光能量产生的热量以热传导和热对流的方式由介质周边以及端面散失。
图3为本发明激光介质动态散热装置，激光介质(1)、热沉(2)、二维运动机构(3)、伺服控制系统(4)、计算机(5)的装配示图。其中热沉(2)安装于二维运动机构(3)上，而伺服系统(4)与二维运动机构(3)装配在一起。也可将伺服系统(4)与计算机(5)相连，通过计算机(5)编程控制二维运动机构(3)的运动。这样二维运动机构(3)承载着激光介质(1)及其热沉(2)在垂直于泵浦光光轴(6)的平面内做各种匀速或非匀速平动，如圆形平移、水平平移、垂直平移或其他任意形式的平移。
参见图4、图5所示，为了说明激光介质(1)的动态方式，我们将激光介质(1)与热沉(2)固结于运动坐标系，即0xy坐标系。并将泵浦光光轴(6)定位于静止坐标系，即0’x’y’坐标系，两个共处于一个平面内。其中泵浦光光轴(6)位于0’x’y’坐标系的坐标原点0’。
二维运动机构(3)承载着激光介质(1)及其热沉(2)的运动，可以表现为运动坐标系0xy相对静止坐标系0’x’y’发生平移运动，可以做二维运动机构(3)承载着激光介质(1)及其热沉(2)的运动，可以表现为运动坐标系Oxy相对静止坐标系O’x’y’发生运动，可以做圆形平移、水平平移、垂直平移或其他任意形式的平移。运动路径、速率都由二维运动机构操控。
参见图6所示，为了说明泵浦光光轴(6)，这里以激光二极管端面泵浦的全固态激光器(7)为例进行说明。这里例举的激光二极管端面泵浦的全固态激光器(7)包括激光二极管激光器(8)、光学耦合系统(9)、平面腔镜(10)、平凹输出镜(11)、激光晶体(1)、热沉(2)。
其中光学耦合系统(9)采用光学透镜组合或自聚焦透镜构成，形成所谓的激光二极管端面泵浦方式。泵浦光光轴(6)指经过光学耦合系统(9)整形与聚焦后，泵浦光向前传输的轴线。泵浦光光轴(6)应与激光谐振腔内振荡激光的光轴处于同一轴线上。
固体激光介质动态散热装置可应用于激光二极管泵浦的各种全固态激光器，如光纤耦合的激光二极管端面泵浦的全固态激光器、激光二极管阵列侧面泵浦全固态激光器。
权利要求
1.一种固体激光介质动态散热装置，包括激光介质(1)、热沉(2)，将激光介质(1)置于热沉(2)中，其特征是激光介质(1)置于热沉(2)中，并将所述激光介质(1)以及热沉(2)安装于二维运动机构(3)上，所述二维运动机构(3)能使热沉(2)及激光介质(1)处于运动状态。
2.根据权利要求1所述的固体激光介质动态散热装置，其特征是所述二维运动机构(3)通过伺服系统(4)控制发生运动。
3.根据权利要求1所述的固体激光介质动态散热装置，其特征是二维运动机构(3)承载着激光介质(1)及其热沉(2)在垂直于泵浦光光轴(6)的平面内做各种运动。
4.根据权利要求1所述的固体激光介质动态散热装置，其特征是所述伺服系统(4)与计算机(5)相连，通过计算机(5)编程控制二维运动机构(3)的方式。
5.根据权利要求1所述的固体激光介质动态散热装置，其特征是所述激光介质(1)用铟膜包裹后置于热沉(2)中。
6.根据权利要求1所述的固体激光介质动态散热装置，其特征是激光介质(1)为长方形或圆棒形。
全文摘要
本发明涉及一种固体激光介质动态散热装置，它包括激光介质(1)、热沉(2)，将激光介质(1)置于热沉(2)中，将所述激光介质(1)以及热沉(2)安装于二维运动机构(3)上，所述二维运动机构(3)能使热沉(2)及激光介质(1)处于运动状态。本发明可以有效地减弱固体激光介质非均匀温升引起的光弹效应、热形变以及热致应力双折射带给激光器的影响，提高了激光介质内泵浦光的能量密度、激光器的输出功率以及输出光束质量，而激光器同时具有体积小、效率高、结构紧凑、工作安全、适应性强等特点。
文档编号H01S3/04GK1988294SQ20061010517
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月15日 优先权日2006年12月15日
发明者甘安生, 李隆, 史彭 申请人:西安建筑科技大学