专利名称：半导体侧泵激光器的冷却方法和冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明属于固体激光器技术领域，具体涉及半导体侧泵激光器的冷却方法和冷却装置，特别涉及一种可以用于在高注入功率的情况下实现风冷的冷却方法和冷却装置，以应用于不方便使用水冷的地方，例如飞机的激光雷达系统。
背景技术：
半导体泵浦固体激光器有大量的热损耗，热主要沉积在激光工作物质和半导体激光器上，半导体激光器可以使用热沉传导冷却，同时必须对激光工作物质进行冷却。现有的冷却方式有传导冷却、液体冷却和风冷方式。在激光器系统中采用传导冷却的方式，将激光棒直接安装在散热器上，保持激光棒与散热器之间良好的热接触。激光棒固定到散热器的方式有机械夹固、焊接或粘结。由于激光晶体热效应的存在，本身晶体棒内部的热分布就不均勻，同时由于激光棒与散热器之间的接触面不可能完全接触，只能部分接触，引起内部的热分布将分布更不均匀。在激光器系统中采用液体冷却的方式，消散激光介质、泵浦源和激光腔内产生的热。在通常的情况下，是利用闭合回路冷却系统冷却，其最基本的元件至少包括水泵、热交换器和水箱。冷却设备除上述元件外，还有粒子过滤器、水软化器、水测量仪和监控流量、温度、压强的传感器。如果使用普通的自来水，就必须定期消除有机物和矿物沉淀物形成的垢。冷却液在压力的作用下流经激光棒和灯的表面，灯和激光棒安装在液流管之间，或是激光头主体的冷却箱中。需要冷却的元件和液体之间的温差是液流速度和冷却特性造成的。在液流速度较低时，流动是分层的，绝大部分温降是由于液体界面静止边缘层的单纯热传导的结果；液流速度较高时会产生湍流，传热更有效，温度下降幅度更大。对于对环境要求不高的地方，使用液体冷却是个不错的方案，但是液体冷却所带有的水箱等附属设备较多，在空间有限的地方不方便使用，所以液体冷却导致冷却结构复杂，需要配备水箱，限制了激光器的使用范围。在激光器系统中采用风冷的方式，在低平均功率激光器尤其是便携式系统中，有时候利用风冷来冷却激光晶体棒。小型轴流或离心风扇能够产生气流，冷却激光头所需的气流决定于棒吸收的热量和气流方向的最大温差。在高注入功率的情况下，如果迫使低压气流进入激光晶体棒表面，同时又保持高传热效率，将会遇到很多困难，激光晶体棒来不及冷却，热效应就得到严重的积累，最后导致激光晶体棒炸裂。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题是在不能采用水冷的情况下，对高注入功率的半导体侧泵激光器进行有效地冷却。( 二 )技术方案 为解决上述技术问题，本发明提出一种半导体侧泵激光器的冷却方法，所述半导体侧泵激光器包括激光腔和设置于激光腔内的激光晶体棒，所述激光腔采用多排半导体bar条对激光晶体棒进行泵浦，所述方法包括:在所述激光腔的腔壁上设置多个喷雾装置，该喷雾装置向所述激光晶体棒喷射水雾；在激光腔中与激光晶体棒平行的方向上设置进风口和出风口，使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。根据本发明的一种具体实施方式
，所述多排喷雾装置沿着所述激光晶体棒的长度方向设置，各排喷雾装置均匀地分布在所述腔壁的内侧。根据本发明的一种具体实施方式
，该方法还包括:在所述激光腔的内侧腔壁上开设多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，使一条狭缝对应一排喷雾装置。根据本发明的一种具体实施方式
，使喷雾装置的排数等于半导体bar条的排数，所述每排bar条与每排喷雾装置均匀相间地排布在激光腔体内。本发明还提出一种半导体侧泵激光器的冷却装置，所述半导体侧泵激光器包括激光腔和设置于激光腔内的激光晶体棒，所述激光腔采用多排半导体bar条对激光晶体棒进行泵浦，所述装置包括:多个喷雾装置，设置在所述激光腔的腔壁，该喷雾装置用于所述激光晶体棒喷射水雾；进风口和出风口，设置于激光腔中且与所述激光晶体棒平行的方向上，用于使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。根据本发明的一种具体实施方式
，所述多排喷雾装置沿着所述激光晶体棒的长度方向设置，各排喷雾装置均匀地分布在所述腔壁的内侧。根据本发明的一种具体实施方式
，所述激光腔的内侧腔壁上开设有多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，以便一条狭缝对应一排喷雾装置。根据本发明的一种具 体实施方式，所述喷雾装置的排数等于所述半导体bar条的排数，所述每排bar条与每排喷雾装置均匀相间地排布在激光腔体内。根据本发明的一种具体实施方式
，所属激光腔体的底部具有聚水管，所述聚水管连接到回收水箱10、如权利要求9所述的半导体侧泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述回收水箱中的水能够被喷雾装置回收利用。(三)有益效果本发明将风冷和喷雾蒸发冷却这两种冷却技术复合后应用于半导体侧泵激光器，提供了一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方法和冷却装置，成功的解决了在高注入功率情况下，对于不能水冷的的半导体侧泵激光器进行冷却的问题。
图1是本发明的一个实施例的示意图，该实施例是应用于三维半导体侧泵的冷却方法与装置；图2是本发明的另一个实施例的示意图，该实施例是应用于五维半导体侧泵的冷却方法与装置。
具体实施例方式为了解决现有的半导体侧泵激光器的几种冷却方式所存在的问题，本发明提供了一种可实现在高注入功率的情况下，在空间及不具备水冷条件的情况下，使用风冷达到水冷的冷却效果的一种冷却方法和相应的冷却装置，本发明能够成功地将“风冷+喷雾蒸发冷却”这种复合冷却技术应用于半导体侧泵激光器，是一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方式。半导体泵浦激光器采用侧泵的泵浦方式，在激光腔内放置有激光晶体棒，激光晶体棒放置在腔内位于圆心的位置上。激光腔采用η维半导体bar条对激光晶体棒进行泵浦。所谓bar条是指排成一排的多个半导体激光器。所述η维半导体bar条是指η个半导体bar条(即η排)均匀地设置于激光腔的内部，以激光晶体棒为中心进行均匀排布，η表示采用的bar条的排数。根据本发明，在激光腔的腔壁上设置多个喷雾装置，该喷雾装置用于向激光晶体棒喷射水雾，所述水雾将激光晶体棒吸收半导体激光后，由于量子亏损等原因引起的热量带走。并且，根据本发明，在 激光腔中与激光晶体棒平行的方向上设置一个进风口和出风口，使激光腔内的气流从进风口向出风口流动，将加快带走剩余热量:单纯喷雾可能有水滴沉积，沉积后减缓带走剩余热量的速度；单纯风冷，与激光棒空气接触，散热效果远不及喷雾风冷冷却效果。根据本发明的一种实施方式，为了安装喷雾装置，在激光腔的内侧腔壁上设置喷雾装置，使得所述多个喷雾装置喷射的水雾能够覆盖整个激光晶体棒。考虑到将激光晶体棒的表面完全冷却，优选为在激光腔的内侧腔壁上，沿着激光晶体棒的长度方向设置多排喷雾装置，各排喷雾装置均匀地分布在所述腔壁的内侧。根据本发明的一种具体实施方式
，在激光腔的内侧腔壁上开设多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，即一条狭缝对应一排喷雾装置。设狭缝的条数为N，即喷雾装置的排数为N。优选地，使喷雾装置的排数N等于半导体bar条的排数η。因为喷雾装置主要用于对激光晶体棒冷却，而半导体bar条直接对应于激光晶体棒的剩余热量，因此优选为将两者数量设置相等。根据本发明的一种具体实施方式
，在所属激光腔的腔体的底部设置一个聚水管，由喷雾所产生的凝结水经激光腔底部后流入聚水管，聚水管连接到到回收水箱，回收水箱上具有水位监测器。优选地，使所述回收水箱中的水能够被所述喷雾装置回收利用。所述每排喷雾装置，每隔距离LI设置一个喷雾点，当半导体侧泵激光器的注入功率较高时，需要较密的喷雾装置；而当半导体侧泵激光器的注入功率较低时，需要较稀的喷雾装置。在实验中可以发现，当同一排喷雾装置中的喷雾装置间隔为8_时，激光晶体棒存在被重复喷雾蒸发的区域，当喷雾点间隔为12_时，激光晶体棒上存在未被喷雾蒸发的区域，由此，本发明优选每排喷雾装置中的各喷雾装置的距离LI满足8mm彡LI ( 12mm，更优选为 9mm < LI < 11mm,以 LI = IOmm 最佳。所述喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为L2，当喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为3mm时，氙灯和激光晶体棒存在被重复喷雾蒸发的区域，当喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为5mm时，激光晶体棒上存在未被喷雾蒸发的区域，因此本发明优选为3mm ^ L2 ^ 5mm,更优选为 L2 = 4_。所述每个喷雾装置的流量为P1，当喷雾装置的流量为2mL/min，激光晶体棒上喷附的小水珠过少，不能完全达到喷雾蒸发的效果，当喷雾点的流量为4mL/min，激光晶体棒上喷附的小水珠过多，在给定的气流下，喷雾蒸发后还残留有小水珠。因此本发明优选为2mT,/mi n ^ Pl ^ 4mL/min,更优选为 Pl = 3mL/min。所述喷雾所产生的小水珠的直径为R2，当小水珠的直径大致为80 μ m时，激光晶体棒上喷附的小水珠过小，小水珠的蒸发速度过快，不利于保持激光晶体棒的温度恒定，当小水珠的直径大致为120 μ m时，激光晶体棒上喷附的小水珠过大，小水珠的蒸发速度过慢，不利于保持激光晶体棒的温度恒定，因此，本发明优选为80 μ m彡R2彡120 μ m,更优选为 R2 = 100 μ m。在与激光晶体棒平行的方向上，设置有进风口和出风口，吹风流量为P2，当吹风流量为lL/min时，风速过慢，蒸发的速度也相应减慢，不利于保持激光晶体棒的温度恒定，当吹风流量为1.5L/min时，风速过快，蒸发的速度也相应加快，不利于保持激光晶体棒的温度恒定，由此，本发明优选为1.0L/min ^ P2 ^ 1.5L/min,更优选为P2 = 1.3L/min。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。实施例一:
实施例一采用三维半导体激光器侧面泵浦的方式，如附图1所示。其中I为激光晶体棒，2为激光腔，3、5、7为每排bar条，4、6、8为每排喷雾装置，13为聚水管，14为回收水箱。在激光腔2内放置有激光晶体棒I ;激光腔2采用的是三维半导体激光器侧泵方式，所以在与激光晶体棒I的垂直方向上，激光腔的内侧腔壁上均匀地开有3个狭缝，排布有3排喷雾装置4、6、8。每排bar条与每排喷雾装置均匀相间地排布在激光腔体内。所述每排喷雾装置，每隔LI设置一个喷雾装置，其中LI = Ilmm ;所述喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为L2，其中L2 = 4mm ;所述每个喷雾装置的流量为Pl，其中Pl = 3.5mL/min ;所述喷雾所产生的小水珠的直径控制在R2，其中R2 = 110 μ m ;在与激光晶体棒I平行的方向上，设置有进风口和出风口(未示出)，吹风流量为P2，其中P2 = 1.2L/min ;所属激光腔2的腔体的底部具有聚水管13，聚水管13连接到回收水箱14，回收水箱14上具有水位监测器(未示出)，回收水箱14中的水能够被喷雾装置4、6、8回收利用。实施例二:实施例二采用五维半导体激光器侧面泵浦的方式，如附图2所示。其中I为激光晶体棒，2为激光腔，3、5、7、9、11为每排bar条，4、6、8、10、12为每排喷雾装置，13为聚水管，14为回收水箱。在激光腔2内放置有激光晶体棒I ;激光腔2采用的是五维bar条侧泵方式，所以在与激光晶体棒I的垂直方向上，激光腔上均匀地开有5个狭缝，排布有5排喷雾装置4、6、8、10、12 ;所述每排喷雾装置，每隔LI设置一个喷雾装置，其中LI = IOmm ;所述喷雾装置距离激光晶体棒的最近距离为L2，其中L2 = 4.5mm ;所述每个喷雾装置的流量为P1，其中Pl = 3mL/min ;所述喷雾所产生的小水珠的直径控制在R2，其中R2 = 100 μ m ;在与激光晶体棒I平行的方向上，设置有进风口和出风口(未示出)，吹风流量为P2，其中P2 = 1.35L/min ;所属激光腔体2的底部具有聚水管13，聚水管13连接到回收水箱14，回收水箱14上具有水位监测器(未示出)，回收水箱14中的水能够被喷雾装置4、6、8、10、12回收利用。综上所述，本发明提供了一种可实现在高注入功率的情况下，在空间及不具备水冷条件的情况下，使用风冷达到水冷的冷却效果的一种冷却方法和冷却装置，本发明能够成功地将“风冷+喷雾蒸发冷却”这种复合冷却技术应用于半导体侧泵激光器，提供了一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方式，成功的解决了在高注入功率情况下，不能水冷的情况下的激光器冷却问题。通过上述风冷+喷雾蒸发的复合冷却方法，达到了 1+1 > 2的效果，使得激光器在特定环境下的冷却问题得到了解决，扩展了激光器可以使用的范围。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1.一种半导体侧泵激光器的冷却方法，所述半导体侧泵激光器包括激光腔和设置于激光腔内的激光晶体棒，所述激光腔采用多排半导体bar条对激光晶体棒进行泵浦，其特征在于，所述方法包括: 在所述激光腔的腔壁上设置多个喷雾装置，该喷雾装置向所述激光晶体棒喷射水雾； 在激光腔中与激光晶体棒平行的方向上设置进风口和出风口，使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。
2.如权利要求1所述的半导体侧泵激光器的冷却方法，其特征在于，所述多排喷雾装置沿着所述激光晶体棒的长度方向设置，各排喷雾装置均匀地分布在所述腔壁的内侧。
3 .如权利要求2所述的半导体侧泵激光器的冷却方法，其特征在于，该方法还包括:在所述激光腔的内侧腔壁上开设多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，使一条狭缝对应一排喷雾装置。
4.如权利要求3所述的半导体侧泵激光器的冷却方法，其特征在于，使喷雾装置的排数等于半导体bar条的排数，所述每排bar条与每排喷雾装置均匀相间地排布在激光腔体内。
5.一种半导体侧泵激光器的冷却装置，所述半导体侧泵激光器包括激光腔和设置于激光腔内的激光晶体棒，所述激光腔采用多排半导体bar条对激光晶体棒进行泵浦，其特征在于，所述装置包括: 多个喷雾装置，设置在所述激光腔的腔壁，该喷雾装置用于所述激光晶体棒喷射水雾； 进风口和出风口，设置于激光腔中且与所述激光晶体棒平行的方向上，用于使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。
6.如权利要求5所述的半导体侧泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述多排喷雾装置沿着所述激光晶体棒的长度方向设置，各排喷雾装置均匀地分布在所述腔壁的内侧。
7.如权利要求6所述的半导体侧泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述激光腔的内侧腔壁上开设有多条狭缝，在每条狭缝中均匀地设置多个喷雾装置，以便一条狭缝对应一排喷雾装置。
8.如权利要求7所述的半导体侧泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述喷雾装置的排数等于所述半导体bar条的排数，所述每排bar条与每排喷雾装置均匀相间地排布在激光腔体内。
9.如权利要求5至7中任一项所述的半导体侧泵激光器的冷却装置，其特征在于，所属激光腔体的底部具有聚水管，所述聚水管连接到回收水箱。
10.如权利要求9所述的半导体侧泵激光器的冷却装置，其特征在于，所述回收水箱中的水能够被喷雾装置回收利用。
全文摘要
本发明公开了一种半导体侧泵激光器的冷却方法和冷却装置。所述半导体侧泵激光器包括激光腔和设置于激光腔内的激光晶体棒，所述激光腔采用多排半导体bar条对激光晶体棒进行泵浦，所述方法包括在所述激光腔的腔壁上设置多个喷雾装置，该喷雾装置向所述激光晶体棒喷射水雾；在激光腔中与激光晶体棒平行的方向上设置进风口和出风口，使所述激光腔内的气流从进风口向出风口流动。本发明提供了一种结构紧凑、冷却效果佳的新型复合冷却方法和冷却装置，成功的解决了在高注入功率情况下，对于不能水冷的半导体侧泵激光器进行冷却的问题。
文档编号H01S3/042GK103219637SQ201310106459
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者赵伟芳, 林学春, 侯玮, 于海娟, 伊肖静, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所