本实用新型涉及激光设备技术领域，特别是涉及一种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件。
背景技术：
随着激光技术在民用和军事领域的不断深入和扩展，各种类型的激光器在加工、切割、打标、雷达、成像和光电对抗等众多产业中引起了多项技术革新，也带来了巨大的经济价值。在一些实际应用中，小型化、制冷简单、安装方便的固体激光器越来越受到青睐，而目前商业成熟的光纤耦合输出的激光二极管为实现这种紧凑型的端泵浦固体激光器奠定了技术基础。
在激光二极管作为泵浦光在固体激光器的增益晶体中会产生大量的废热，这些废热如果不及时排出，会影响固体激光器的性能，甚至导致激光增益晶体的损伤。通常，随着激光器功率的增加，激光增益晶体的废热也随之增加，对其散热的要求也随之提高。相对于对激光增益晶体直接水冷的散热系统，传导式冷却具有不易引起光学畸变、规避了渗漏风险、冷却液流道设计方便等突出优点，在光纤激光器、板条激光器和块状激光器中广泛应用。为了提高激光器的峰值功率密度，在谐振器中加入脉冲调制器件，使激光从连续输出变为脉冲输出。声光Q开关是一种常用的激光脉冲调制器，它在工作状态产生的废热也需要及时带出。在这样的脉冲激光器中，激光增益晶体和脉冲调制器件需要同时散热，从而激光器内部的冷却流道的设计变得复杂，难以实现小型化、紧凑化。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件。
本实用新型提供了如下方案：
一种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件，包括：
冷却基座，所述冷却基座内设置有U型冷却液流通管道；所述U型冷却液流通管道包括进液口以及出液口；
脉冲调制器组件，所述脉冲调制器组件包括脉冲调制器件以及位于所述脉冲调制器件内部的光学晶体；所述脉冲调制器件与所述冷却基座上部固定相连；
激光增益晶体，所述激光增益晶体与所述冷却基座上部固定相连。
优选的：所述冷却基座采用铝或铜材质制作而成。
优选的：所述脉冲调制器件与所述冷却基座之间设置有第一铟箔层。
优选的：所述脉冲调制器件为工作波长为1064nm的声光Q开关、工作波长为～1.3μm的声光Q开关、工作波长为～1.9μm的声光Q开关、工作波长为～2.1μm的声光Q开关、工作波长为～2.7μm的声光Q开关中的任意一种。
优选的：所述激光增益晶体四周布满包裹有第二铟箔层，所述第二铟箔层与所述冷却基座之间设置有导热硅脂层。
优选的：所述激光增益晶体为采用多段键和形式晶体。
优选的：所述激光增益晶体为Nd掺杂的长方体块状晶体、掺Tm的长方体块状晶体、掺Ho的长方体块状晶体、掺Er的长方体块状晶体中的任意一种。
优选的：所述脉冲调制器组件与所述激光增益晶体的距离为根据谐振腔型的激光器的腔型所确定。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
通过本实用新型，可以实现一种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件，在一种实现方式下，该冷却器件可以包括冷却基座，所述冷却基座内设置有U型冷却液流通管道；所述U型冷却液流通管道包括进液口以及出液口；脉冲调制器组件，所述脉冲调制器组件包括脉冲调制器件以及位于所述脉冲调制器件内部的光学晶体；所述脉冲调制器件与所述冷却基座上部固定相连；激光增益晶体，所述激光增益晶体与所述冷却基座上部固定相连。该一体式冷却器件采用传导散热方案，将激光增益晶体和脉冲调制器安装于同一个冷却底板上，而冷却底板内部采用简单的“U”字形液冷回路，减小冷却液阻力，进而也降低了对冷却液压力和流量的要求。同时达到了激光增益晶体和脉冲调制器紧凑化装配和模块化设计的目的，有利于整个脉冲调制的固体激光器系统体积的缩小和重量的减轻。
当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的一种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件的第一结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件的第二结构示意图。
图中：冷却基座1、U型冷却液流通管道2、进液口201、出液口202、脉冲调制器件3、光学晶体4、激光增益晶体5、固体激光器谐振腔的反射镜6、固体激光器谐振腔的输出镜7、经耦合系统调整光斑大小的泵浦光8、固体激光器输出的激光9。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1、图2，为本实用新型实施例提供的一种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件，如图1所示，该冷却器件包括冷却基座1，所述冷却基座1内设置有U型冷却液流通管道2；所述U型冷却液流通管道2包括进液口201以及出液口202；
脉冲调制器组件，所述脉冲调制器组件包括脉冲调制器件3以及位于所述脉冲调制器件3内部的光学晶体4；所述脉冲调制器件3与所述冷却基座1上部固定相连；
激光增益晶体5，所述激光增益晶体5与所述冷却基座1上部固定相连。
进一步的，所述冷却基座1采用铝或铜材质制作而成。所述脉冲调制器件3与所述冷却基座1之间设置有第一铟箔层。所述脉冲调制器件为工作波长为1064nm的声光Q开关、工作波长为～1.3μm的声光Q开关、工作波长为～1.9μm的声光Q开关、工作波长为～2.1μm的声光Q开关、工作波长为～2.7μm的声光Q开关中的任意一种。所述激光增益晶体5四周布满包裹有第二铟箔层，所述第二铟箔层与所述冷却基座之间设置有导热硅脂层。所述激光增益晶体为采用多段键和形式晶体。所述激光增益晶体5为Nd掺杂的长方体块状晶体、掺Tm的长方体块状晶体、掺Ho的长方体块状晶体、掺Er的长方体块状晶体中的任意一种。所述脉冲调制器组件与所述激光增益晶体的距离为根据谐振腔型的激光器的腔型所确定。
增益晶体5的四个侧面包裹一层薄的铟箔，起到减小与冷却基座传导热阻，快速传热的目的。同时起到缓冲晶体在泵浦光加载时的热膨胀效应，减小热制应力导致的晶体损伤。增益晶体采用多段键和形式，使晶体在通光方向对泵浦光进行均匀吸收，减小晶体通光方向的温度梯度，保持增益晶体温度的均匀性，减小晶体热效应的不利影响。脉冲调制器采用市场上成熟的传导冷却方式，与冷却基座的配装可以进行角度的倾斜和俯仰的调节，从而起到调整脉冲调制器的光轴与增益晶体的光轴一致的目的。冷却基座采用“U”字形的冷却流道设计，使冷却液两次通过增益晶体和脉冲调制器，双通道冷却可以更加充分的带着两个产热器件的废热，并提高其温度均匀性。“U”字形的冷却流道相对于直角的管道而言，可以减小冷却基座的水阻，从而减小对冷却液压力和流量的要求。这种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件作为一个模块化的部件，可以直接应用于各种谐振腔型的激光器中。激光晶体和脉冲调制器之间的距离可以根据腔型设计调节，以适用于激光二极管不同的泵浦光斑大小。
为了进一步说明本申请提供的方案，下面通过几个具体实施例进行说明：
实施例1：激光增益晶体采用Nd掺杂的长方体块状晶体(作为一个典型的特例：体积为3mm×3mm×20mm的键和Nd:YVO4晶体)，四周平整包裹一层0.2mm厚的铟箔，而后在均匀的涂上一层导热硅脂，放置于冷却器件的基座上。激光增益晶体的夹持方式为上下固定，上盖板与基座充分接触，以保持晶体上下侧面的散热能力和温度均匀性。脉冲调制器件为传导冷却的1064nm声光Q开关，典型产品的体积为35mm×46mm×25mm(高)，声光Q开关底部放置35mm×46mm×0.5mm(厚)的铟箔，减小传导热阻。通过调节固定声光Q开关的固定角度，使其中的光学晶体与激光增益晶体所确定的光轴相匹配。声光Q开关与激光增益晶体的相对位置，可以根据固体激光器的谐振腔设计具体调整。冷却器件采用导热系数较好的铝制材料，它同时具有重量轻、加工技术成熟等优点。为了达到更好的散热效果，可以选择导热系数更高的铜制材料，但其重量将会增加。液冷回路的进出口的水流方向可以互换，实际应用中可以设计成快接头等形式，冷却液的流量和温度可根据声光Q开关的工作温度和Nd晶体的散热要求进行调节。通常而言，冷却液的温度越低散热效果越好，但是还需考虑过低的温度在环境湿度下的结露问题。
在本实施方式的具体应用中，808nm的二极管激光通过光纤输出的泵浦光，经耦合系统调整光斑大小后，从右侧输入到Nd晶体的中心，Nd晶体对二极管激光充分吸收。在Nd晶体的前面和声光Q开关的后面分别放置反射镜和输出镜，就形成了直线型的固体激光器谐振器，如图2所示。图中增加的部分，6为固体激光器谐振腔的反射镜，7为固体激光器谐振腔的输出镜，8为经耦合系统调整光斑大小的泵浦光，9为固体激光器输出的激光。固体激光器谐振腔的腔镜6和7固定于冷却基座1上。
冷却液温度为20℃，流量为1L/min，能够实现30W的1064nm脉冲激光输出，持续稳定工作60分钟以上，充分证明了该一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器的有效性。利用本发明所述的一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件，该脉冲固体激光器的体积仅为35mm×46mm×25mm(高)。为后续1064nm激光向短波长(例如倍频效益)和长波长(例如光参量振荡器)的非线性频率变换提供了技术支撑。
实施例2：结合图1和图2说明本实施方式，本实施例与实施例1所述的区别在于，作为泵浦源的二极管激光波长为880nm。采用880nm的激光二极管进行泵浦，有利于Nd晶体吸收的均匀性，提高量子转换效率，减小废热的产生量，最终提高Nd晶体内部的温度均匀性，增加Nd晶体可承受的泵浦功率，扩展一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件的适用范围。
实施例3：结合图1和图2说明本实施方式，本实施例与实施例1所述的区别在于，选择～1.3μm的声光Q开关。固体激光器的反射镜和输出镜针对～1.3μm镀有高反膜和部分反射膜(为了抑制1.064μm激光的激射，两个腔镜还镀有1.064μm的增透膜，以增加其腔内损耗)，使固体激光器实现脉冲的～1.3μm激光输出。
实施例4：结合图1和图2说明本实施方式，本实施例与实施例1所述的区别在于，激光增益晶体选择掺Tm的块状晶体，泵浦源选择波长为793nm的激光二极管，声光Q开关的工作波长为～1.9μm，由此设计的固体激光器将实现脉冲的～1.9μm激光输出。
实施例5：结合图1和图2说明本实施方式，本实施例与实施例1所述的区别在于，激光增益晶体选择掺Ho的块状晶体，泵浦源选择波长为～1.9μm的光纤激光器，声光Q开关的工作波长为～2.1μm，由此设计的固体激光器将实现脉冲的～2.1μm激光输出。
实施例6：结合图1和图2说明本实施方式，本实施例与实施例1所述的区别在于，激光增益晶体选择掺Er的块状晶体，泵浦源选择波长为975nm的激光二极管，声光Q开关的工作波长为～2.7μm，由此设计的固体激光器将实现脉冲的～2.7μm激光输出。
本方案的有益效果包括：
(1)在本申请中，这种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件可以作为固体激光器的底座，光学镜片、耦合系统、以及后续可能存在的非线性频率变换系统等光学元件可以安装于冷却器的基座上，从而使固体激光器作为一个整体的模块，提高了激光器工程化的可靠性，也减小了激光器的复杂程度，在小型化和轻量化的体积、重量等方面的设计带来方便。
(2)在本申请中，激光增益晶体和脉冲调制器具有独立调节的功能，可以根据固体激光器谐振腔的设计，进行角度方面的俯仰和倾斜调整，也可以进行位置方面的相对距离的调整，具有较好的灵活性和适应性，以达到激光器输出性能达到最佳。
(3)在本申请中，采用键和的激光增益晶体，以及周围包裹铟箔和涂导热硅脂可以提高增益晶体内部的温度均匀性；在脉冲调制器与冷却基座之间放置铟箔和涂导热硅脂也可以提高脉冲调制器的热传导吸收，而避免了冷却水路必须采用立体回路，使冷却水路从激光增益晶体和脉冲调制器四周通过。本发明中设计的冷却水道，避免了这种立体回路造成的水阻较大、渗漏风险较大等缺点。
(4)在本申请中，所提供的一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件具有一定的普适性，适用于各种激光增益晶体(例如掺杂Nd、Yb、Tm、Ho、Er等)，也适用于各种二极管激光泵浦源(例如808nm、880nm、793nm、975nm等)，同时也适用于各种端泵浦的固体激光器装置(例如直线腔、折叠腔、环形腔、平平腔、平凹腔等)。
总之，本申请提供的一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件,是针对目前脉冲调制的固体激光器在冷却散热流道设计过于复杂的问题(通常是针对增益晶体和脉冲调制器进行分别散热)，而提供一种一体式紧凑型激光晶体和脉冲调制冷却器件。该一体式冷却器件采用传导散热方案，将激光增益晶体和脉冲调制器安装于同一个冷却底板上，而冷却底板内部采用简单的“U”字形液冷回路，减小冷却液阻力，进而也降低了对冷却液压力和流量的要求。同时达到了激光增益晶体和脉冲调制器紧凑化装配和模块化设计的目的，有利于整个脉冲调制的固体激光器系统体积的缩小和重量的减轻。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。