一种缩短固体激光器响应时间的装置的制作方法

1.本实用新型属于固体激光器技术领域，具体地说涉及一种缩短固体激光器响应时间的装置。


背景技术：

2.固体激光器具有体积小、可靠性强、便于维护、效率高等优点，其在脉冲调制、波长调谐等诸多方面具有无可替代的优势，同时，其在国民生产上得到了广泛的应用。近年来，军事应用对固体激光器的功率和光束质量不断提出新的需求，尤其，固体激光器需满足“收到出光指令立即出光”的应用需求，不断的缩短固体激光器从得到出光指令到实现额定功率输出之间的响应时间。
3.经过数十年的发展，研究人员通过各种技术手段提升固体激光器的功率和光束质量，例如，从增益介质的选择方面(nd、yb)、激光晶体的构型方面(棒状、板条状)、激光器的光学设计方面(谐振腔、放大器)等。但是，对于固体激光器的响应时间的研究，特别是缩短响应时间的方法方面，还未见有系统的研究和方法。固体激光器的响应时间可以定义为接到出光指令到激光器稳定输出额定功率的间隔时间。为了避免风险，延长寿命，固体激光器一般采取逐步加载促使输出功率逐步达到额定指标的方法，响应时间通常达到数秒至数分钟。而如果强行实现“一键出光”，固体激光器中的瞬时大量热积累造成的各种不利因素可能损伤各类光学器件，造成固体激光器的永久损坏。


技术实现要素：

4.为了解决固体激光器响应时间和光学器件可靠性的矛盾性问题，发明人优化了电控组件、固体激光器、热控组件的结构及流程，从多层次和多流程方面缩短固体激光器的响应时间，达到特定的应用需求。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种缩短固体激光器响应时间的装置，包括电控组件和热控组件，且电控组件分别与固体激光器、热控组件电连接并供电，所述固体激光器在响应时间内依次处于开机启动阶段、准备阶段、待机阶段和出光阶段；
7.在开机启动阶段，所述固体激光器通过电控组件上电，且所述电控组件采用上位机和下位机结合的架构模式，以缩短所述固体激光器的上电时间；
8.在准备阶段，所述电控组件为其自身和热控组件供电并进行自检，所述热控组件与激光二极管、固体激光器内的热负载通讯连接，且热控组件将激光二极管和固体激光器的热负载控制在设定的温度，减小温度波动；
9.在待机阶段，电控组件和热控组件处于持续工作状态，固体激光器进行预加载，促使激光二极管的泵浦功率低于固体激光器的出光阈值，以缩短增益介质在出光阶段的热平衡时间；
10.在出光阶段，固体激光器实现满额加载并满额输出。
11.优选的，所述上位机运行于电脑控制端，其用于设置热控组件和固体激光器的设定参数，具体的，所述设定参数包括热控组件的工作温度、热控组件的温度保护的上下限、固体激光器的工作电流及工作电流的上下限、固体激光器的工作电压及工作电压的上下限，并实时监测热控组件和固体激光器的运行参数，具体的，所述运行参数包括：制冷回路的入口和出口的温度、固体激光器热负载的实时温度、固体激光器的工作电流及工作电压，所述下位机运行于电控组件的控制板芯片，其与上位机、热控组件通讯连接，用于接收上位机发送的指令并下传至固体激光器、采集固体激光器的运行参数、接收热控组件的运行参数并将热控组件和固体激光器的运行参数上传至上位机。
12.优选的，下位机将上位机设定的固体激光器的工作电流转换成相应的电压参数给定于具体的电路，从而输出相应的工作电流，同时，下位机设定固体激光器的电路保护参数，如输入端电路的过压、过流、欠压；输出端电路的过压、过流、欠压、欠流；输出电路的过温保护。
13.优选的，所述上位机发送的指令分为设置指令、通讯查询指令和出光指令，所述设置指令用于设置热控组件和固体激光器的设定参数，所述通讯查询指令用于监测热控组件和固体激光器的运行参数。
14.优选的，所述下位机采用通讯中断方式接收上位机发送的指令和热控组件发送的运行参数，即当下位机的主线程收到上位机发送的新指令或热控组件发送的运行参数时，暂停主循环模块，执行新指令或存储运行参数，其中，与上位机的通讯中断在其所有通讯中断中优先级最高。
15.优选的，所述主线程为负责处理整个下位机逻辑的线程。
16.优选的，所述下位机在接收到上位机发送的出光指令后，立即在中断函数中将指令执行。
17.优选的，所述下位机接收到热控组件发送的运行参数后，存入第一缓存区，所述下位机采集固体激光器的运行参数后，存入第二缓存区，在下位机的主循环模块内，所述第一缓存区和第二缓存区发送运行参数至上位机。
18.优选的，在下位机的主循环模块内，第一缓存区和第二缓存区采用定帧定频的方式发送固体激光器、热控组件的运行参数。
19.优选的，所述热控组件包括制冷回路和导热体，所述热控组件的制冷回路采用双温区结构，所述双温区包括主温区及温度低于主温区的辅助温区，通过双温区的温度差抵消热负载瞬时高热产生的热量。
20.优选的，所述制冷回路包括通过管路连通的压缩机、储液箱和热交换器，所述热交换器与固体激光器的热负载进行热交换，且热交换器采用双温区结构，主温区与辅助温区之间冷却介质的流通通道通过电磁阀控制通断。
21.优选的，热控组件实时采集主温区内冷却介质的温度，当主温区内冷却介质的温度高于设定温度时，电磁阀打开，开启主温区与辅助温区的连通通道，辅助温区内冷却介质流至主温区，以抵消热负载瞬时高热产生的热量，当主温区内冷却介质的温度低于设定温度时，电磁阀关闭，切断主温区与辅助温区的连通通道。通过动态匹配、闭环控制及实时监控措施，提高主温区冷却介质的温度稳定性，进而提高热控组件的制冷效果，减小固体激光器中热负载的温度波动。
22.优选的，冷却介质采用热容高、流动性强的液体，同时，为了降低热负载加载瞬时的热冲击造成冷却介质的突变，应在条件允许情况下适当增加冷却介质的体量。
23.优选的，所述激光二极管焊接在导热体上，导热体上焊接微通道，激光二极管产生的热量进入微通道，冷却液进入微通道后与微通道充分接触，热量通过受迫热传导被流经微通道的冷却液带走，所述热控组件实时采集微通道内冷却液的温度。
24.优选的，所述导热体为铜制导热体。
25.优选的，鉴于激光二极管的发射波长与温度相关，为了提高激光二极管的发射波长与固体激光器中增益介质的吸收峰匹配度，应选择锁波长的激光二极管，即激光二极管的发射波长基本不随温度的变化而变化，同时，所述固体激光器中增益介质采用侧泵浦或端泵浦结构，提高固体激光器的电光转换效率，减小废热，从而缩短热平衡时间。
26.优选的，增益介质可以采用直接液冷的方式，也可以采用激光二极管的传导冷却的方式。此外，为了保持增益介质内部的温度均匀性，减小热梯度等不利因素，增益介质也可以采用多温区的散热措施，加强固体激光器的高废热期间的散热能力，缩短其在激光二极管瞬时泵浦下的热平衡时间。
27.优选的，针对增益介质内部产热的不均匀性，热流密度会因为泵浦功率和掺杂浓度、导热率和增益介质的尺寸的不同而不同。对于高热流密度区域采用温度稍低的冷却液体，而对于低热流密度区域采用温度相对较高的冷却液体，因此，高热流密度区域可以及时与低热流密度区域达到热平衡，进而缩短整个系统的热平衡时间所导致的出光响应时间。
28.优选的，在准备阶段，所述下位机进行自检并将自检数据反馈至上位机，将自检数据与上位机设定的参数进行对比，判定下位机进入的下一步线程，所述下一步线程包括主循环模块、故障处理模块和接收信息模块，所述接收信息模块为接收上位机发送的指令或热控组件发送的运行参数。
29.优选的，当自检数据高于上位机设定的参数时，下位机进行故障处理模块线程，反之，下位机进入主循环模块或接收信息模块线程。
30.在固体激光器的加载方式方面，传统的逐步加载方式主要是为了保护光学器件瞬时高热造成的损伤，使固体激光器产热过程分布进行，此种加载方式，显然无法快速的实现固体激光器的满额输出，响应时间将非常长。对于直接加载方式，瞬时的高热效应会导致固体激光器的器件存在较大的风险，降低器件的寿命和可靠性，而且由瞬时热效应到热平衡时的弛豫过程，固体激光器的输出功率和光束质量通常会出现较大的波动，直到热平衡后才会稳定输出。
31.因此，为了解决传统加载方式存在的问题，发明人提出预加载方式，在预加载状态下，固体激光器的热平衡已趋于满额加载下的稳定状态，不存在上述两种传统加载方式造成的问题，能够有效的缩短固体激光器的响应时间。具体如下：
32.当固体激光器为谐振腔型固体激光器时，在待机阶段，谐振腔处于预加载状态。
33.当固体激光器为放大器型固体激光器(其包括主振荡器和放大器)时，由于放大器的加载功率通常远大于主振荡器，导致放大器的热效应远大于主振荡器，其热平衡时间也远大于主振荡器，因此，在待机阶段，放大器处于预加载状态、主振荡器处于未加载状态，使增益介质的热分布类似于满额工作时。由于主振荡器并没有加载(即没有种子光)，因此，放大器并不会输出激光。固体激光器接收到出光指令后，主振荡器采用直接加载的方式实现
满额加载，由于有种子光的注入，放大器将种子光放大到额定功率输出，此时，放大器的热平衡状态与待机预加载时基本一致，因此，固体激光器的响应时间将显著缩短。本实用新型的有益效果是：
34.对电控组件、热控组件和固体激光器进行系统性的优化设计和流程控制，缩短固体激光器的上电时间，加强固体激光器的高废热期间的散热能力，提高热控组件的制冷效果，提高固体激光器的电光转换效率，减小热波动对固体激光器的影响，进而显著缩短固体激光器的响应时间，以适用于某些军事应用的高需求。
附图说明
35.图1是本实用新型的结构示意图；
36.图2是电控组件的工作流程图；
37.图3是双温区结构示意图；
38.图4是增益介质采用多温区结构示意图；
39.图5是预加载方式示意图。
40.附图中：1－电控组件、2－热控组件、3－固体激光器、4－主温区、5－辅助温区。
具体实施方式
41.为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本实用新型创造。
42.实施例一：
43.如图1所示，一种缩短固体激光器响应时间的装置，包括电控组件1和热控组件2，且电控组件1分别与固体激光器3、热控组件2电连接并供电，所述固体激光器3在响应时间内依次处于开机启动阶段、准备阶段、待机阶段和出光阶段，在上述各阶段采取的措施如下：
44.在开机启动阶段，所述固体激光器3通过电控组件1上电，以缩短所述固体激光器3的上电时间。在准备阶段，所述电控组件1为其自身和热控组件2供电并进行自检，所述热控组件2与激光二极管、固体激光器内的热负载通讯连接，所述热控组件2将激光二极管和固体激光器的热负载(主要为增益介质)控制在设定的温度，减小温度波动。在待机阶段，电控组件1和热控组件2处于持续工作状态，固体激光器3进行预加载，促使激光二极管的泵浦功率低于固体激光器的出光阈值，以缩短增益介质在出光阶段的热平衡时间。在出光阶段，固体激光器3实现满额加载并满额输出。也就是说，从多层次和多流程方面缩短固体激光器的响应时间，达到特定的应用需求。
45.所述电控组件1采用上位机和下位机结合的架构模式，其主要实现软件通讯和硬件转换功能，其中，软件通讯除了实现接收出光指令外，还兼具固体激光器3和热控组件2运行参数的监测与反馈，硬件转换功能主要包括为热控组件2和固体激光器3供电。通过优化电控组件软件流程，缩短软件层面从得到出光指令到为固体激光器中的激光二极管供电的
时间。
46.优化措施如下：
47.所述上位机运行于电脑控制端，其用于设置热控组件2和固体激光器3的设定参数，具体的，所述设定参数包括热控组件2的工作温度、热控组件2的温度保护的上下限、固体激光器3的工作电流及工作电流的上下限、固体激光器3的工作电压及工作电压的上下限，并实时监测热控组件2和固体激光器3的运行参数，具体的，所述运行参数包括：制冷回路的入口和出口的温度、固体激光器热负载的实时温度、固体激光器的工作电流及工作电压，所述下位机运行于电控组件的控制板芯片，其与上位机、热控组件2通讯连接，用于接收上位机发送的指令并下传至固体激光器3、采集固体激光器3的运行参数、接收热控组件2的运行参数并将热控组件2和固体激光器3的运行参数上传至上位机。所述上位机发送的指令分为设置指令和通讯查询指令，所述设置指令用于设置热控组件2和固体激光器3的设定参数，所述通讯查询指令用于监测热控组件2和固体激光器3的运行参数。
48.下位机将上位机设定的固体激光器3的工作电流转换成相应的电压参数给定于具体的电路，从而输出相应的工作电流，同时，下位机设定固体激光器3的电路保护参数，如输入端电路的过压、过流、欠压；输出端电路的过压、过流、欠压、欠流；输出电路的过温保护。在开机启动阶段，所述电控组件1上电后进行输入电路保护判定，判定未通过时，进行故障处理模块(同时指示灯提示故障)，判定通过后，在准备阶段，所述下位机进行自检并将自检数据反馈至上位机，将自检数据与上位机设定的参数进行对比，判定下位机进入的下一步线程，所述下一步线程包括主循环模块、故障处理模块(同时指示灯提示故障)和接收信息模块，所述接收信息模块为接收上位机发送的指令或热控组件发送的运行参数。当自检数据高于上位机设定的参数时，下位机进行故障处理模块线程，反之，自检通过，下位机进入主循环模块或接收信息模块线程。
49.同时，所述下位机采用通讯中断方式接收上位机发送的指令和热控组件2发送的运行参数，即当下位机的主线程(所述主线程为负责处理整个下位机逻辑的线程)收到上位机发送的新指令或热控组件发送的运行参数时，暂停主循环模块，执行新指令或存储运行参数，其中，与上位机的通讯中断在其所有通讯中断中优先级最高，如所述下位机在接收到上位机发送的出光指令后，立即在中断函数中将指令执行。
50.此外，所述下位机接收到热控组件2发送的运行参数后，存入第一缓存区，所述下位机采集固体激光器3的运行参数后，存入第二缓存区，在下位机的主循环模块内，所述第一缓存区和第二缓存区发送运行参数至上位机。在下位机的主循环模块内，第一缓存区和第二缓存区采用定帧定频的方式发送固体激光器3、热控组件2的运行参数。其中，电控组件1的工作流程如图2所示。
51.实施例二：
52.所述热控组件2主要实现对激光二极管和增益介质进行温控和散热，为了减小激光二极管和增益介质的热平衡时间(影响整个固体激光器响应时间的主要因素)，一方面需要增加热控组件2的散热能力，减小冷却介质的温度变化，另一方面需要增加热控组件2的热交换能力，将激光二极管和固体激光器3中的废热尽快尽多的带走。
53.优化措施如下：
54.如图3所示，所述制冷回路采用双温区结构，所述双温区包括主温区4及温度低于
主温区4的辅助温区5，通过双温区的温度差抵消热负载瞬时高热产生的热量。具体的，所述制冷回路包括通过管路连通的压缩机、储液箱和热交换器，所述热交换器与固体激光器的热负载进行热交换，且热交换器采用双温区结构，主温区4与辅助温区5之间冷却介质的流通通道通过电磁阀控制通断。热控组件2实时采集主温区4内冷却介质的温度，当主温区4内冷却介质的温度高于设定温度时，电磁阀打开，开启主温区4与辅助温区5的连通通道，辅助温区5内冷却介质流至主温区4，以抵消热负载瞬时高热产生的热量，当主温区4内冷却介质的温度低于设定温度时，电磁阀关闭，切断主温区4与辅助温区5的连通通道。通过动态匹配、闭环控制及实时监控措施，提高主温区4冷却介质的温度稳定性，进而提高热控组件2的制冷效果，减小固体激光器3中热负载的温度波动。其中，冷却介质采用热容高、流动性强的液体，同时，为了降低热负载加载瞬时的热冲击造成冷却介质的突变，应在条件允许情况下适当增加冷却介质的体量。
55.同时，所述激光二极管焊接在导热体上，导热体优选为铜制导热体，导热体上焊接微通道，激光二极管产生的热量进入微通道，冷却液进入微通道后与微通道充分接触，热量通过受迫热传导被流经微通道的冷却液带走。鉴于激光二极管的发射波长与温度相关，为了提高激光二极管的发射波长与固体激光器3中增益介质的吸收峰匹配度，应选择锁波长的激光二极管，即激光二极管的发射波长基本不随温度的变化而变化，同时，所述固体激光器3中增益介质采用侧泵浦或端泵浦结构，提高固体激光器3的电光转换效率，减小废热，从而缩短热平衡时间。
56.此外，增益介质可以采用直接液冷的方式，也可以采用激光二极管的传导冷却的方式。针对增益介质内部产热的不均匀性，热流密度会因为泵浦功率和掺杂浓度、导热率和增益介质的尺寸的不同而不同。为了保持增益介质内部的温度均匀性，减小热梯度等不利因素，增益介质采用多温区的散热措施，如图4所示，将增益介质划分为温区1、温区2和温区3，对于高热流密度区域(如温区2)采用温度稍低的冷却液体，而对于低热流密度区域(如温区1和温区3)采用温度相对较高的冷却液体，因此，高热流密度区域可以及时与低热流密度区域达到热平衡，加强固体激光器3的高废热期间的散热能力，缩短其在激光二极管瞬时泵浦下的热平衡时间，进而缩短因热平衡时间所导致的出光响应时间。
57.实施例三：
58.所述固体激光器3是实现激光输出的核心器件，其主要功能是将激光二极管通过能级跃迁的方式产生高光束质量的激光输出。为了减小固体激光器3的出光响应时间，首先，需要提高二极管激光到固体激光到转换效率(此部分在实施例二中已阐述提高激光二极管与增益介质的匹配度)，减小废热的产生，从而减小固体激光器3中的热平衡时间。其次，由于固体激光器3中的废热是无法避免的，在二极管激光满额加载到固体激光器稳定输出的时间区间内，增益介质中的热量和热效应导致的聚焦或畸变效应将引起输出激光的功率和光斑形态出现抖动，待增益介质完全达到热平衡后，才能实现稳定输出，因此，可以在固体激光器3中加入热效应补偿措施，增加其在增益介质温度动态变化过程中的稳定性，使固体激光器3不因热效应而出现较大变化。
59.优化措施如下：
60.在固体激光器3的加载方式方面，传统的逐步加载方式主要是为了保护光学器件瞬时高热造成的损伤，使固体激光器3产热过程分布进行，此种加载方式，显然无法快速的
实现固体激光器3的满额输出，响应时间将非常长。对于直接加载方式，瞬时的高热效应会导致固体激光器3的器件存在较大的风险，降低器件的寿命和可靠性，而且由瞬时热效应到热平衡时的弛豫过程，固体激光器3的输出功率和光束质量通常会出现较大的波动，直到热平衡后才会稳定输出。因此，为了解决传统加载方式存在的问题，发明人提出预加载方式，如图5所示，在预加载状态下，固体激光器3的热平衡已趋于满额加载下的稳定状态，不存在上述两种传统加载方式造成的问题，能够有效的缩短固体激光器3的响应时间。
61.预加载方式具体如下：当固体激光器3为谐振腔型固体激光器时，在待机阶段，谐振腔处于预加载状态。预加载的泵浦功率可以在出光阈值以下，也可以按照固体激光器3的产热比、提取效率进行更为精细的控制。
62.当固体激光器3为放大器型固体激光器(其包括主振荡器和放大器)时，由于放大器的加载功率通常远大于主振荡器，导致放大器的热效应远大于主振荡器，其热平衡时间也远大于主振荡器，因此，在待机阶段，放大器处于预加载状态、主振荡器处于未加载状态，使增益介质的热分布类似于满额工作时。由于主振荡器并没有加载(即没有种子光)，因此，放大器并不会输出激光。固体激光器3接收到出光指令后，主振荡器采用直接加载的方式实现满额加载，由于有种子光的注入，放大器将种子光放大到额定功率输出，此时，放大器的热平衡状态与待机预加载时基本一致，因此，固体激光器3的响应时间将显著缩短。
63.以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。