一种DPL脉冲激光器侧泵腔体的制作方法

本实用新型属于激光设备技术领域，尤其涉及一种DPL脉冲激光器侧泵腔体。

背景技术：

随着全固态激光器向小型化高光束质量高峰值功率的技术发展，核心元器件泵浦腔体的泵浦功率也不断增加，其有效均匀的散热也要求增加，同时由于应用要求物理尺寸必须小型紧凑，泵浦腔内的热流密度也随之增加，导致激光晶体热畸变、热透镜加剧等热效应，从而使输出激光的效率和光学质量大大降低，所以，对包含激光晶体的泵浦腔体进行有效的热控制一直都是本专业关注的焦点。

就全固态DPL脉冲Nd：YAG固体激光器而言，泵浦腔体的热管理范围主要包括腔体结构设计、泵浦源(二极管阵列巴条)、激光工作物质(激光晶体)等的热管理，激光晶体的热管理问题主要体现在晶体在泵浦过程中的热效应问题：泵浦源通过泵浦腔体向激光晶体提供输出激光所需能量的同时，在晶体中产生过多的费热，为了持续工作，必须及时从晶体中消除这些费热，即减小晶体的“热效应”，这些热效应既降低了激光效率，又产生晶体畸变导致输出激光光学质量降低，极大的限制了应用，这些问题在要求高峰值功率高光学质量的小型化Nd：YAG固体激光器中，在技术上是一个极大的挑战。

一般的小型化热传导冷却脉冲固体Nd：YAG激光器的侧泵浦腔体技术有如下两种：一种是采用瓦片式的半圆周泵浦半圆周冷却的交错泵浦冷却激光晶体的方式，另一种是360度圆周泵浦与360圆周冷却晶体相互交替进行的；对于前一种瓦片式半圆交错泵浦方式，也是一种前后交错对称泵浦结构，但对于激光晶体而言，晶体前后承受的热应力是不均匀的，晶体内部受到的热应力在前后方向上综合作用的结果是使其横向应力增大，则晶体热畸变增大，从而导致输出激光光学质量降低，光斑形状变差；另一方面，在前腔体的泵浦冷却的交接区，与后腔体的泵浦冷却交接区，在晶体的泵浦截面方向上是一致的，则没有达到相互补偿的作用，这也导致了泵浦在该区域的弱区，从而出现输出激光光斑的不均匀，光学质量下降。

对于后一种常规的360度圆周泵浦360度圆周冷却交替进行的侧泵浦方式，由于泵浦和冷却晶体不在晶体的同一轴向区域，导致晶体在轴向上冷－热－冷－热的非均匀受热，产生热应力会导致输出激光光学质量降低，同时，单位晶体长度的泵浦功率密度较大，也会导致晶体热应力较大，影响输出激光光学质量，这样限制了激光效率和光学质量的提高。

技术实现要素：

基于上述情况，本实用新型的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，有必要提供一种小型紧凑化的热传导均匀冷却、对称均匀泵浦并前后均匀补偿的DPL脉冲激光器侧泵腔体。

一种DPL脉冲激光器侧泵腔体，包括两个相同结构的泵浦腔体，分别为第一泵浦腔体和第二泵浦腔体；所述泵浦腔体包括金属热沉，所述金属热沉具有圆形通孔；所述通孔中心设置有激光晶体，和设置所述激光晶体周围的多组散热槽和泵浦源；所述泵浦源与散热槽交替均匀分布，所述散热槽与激光晶体紧密接触，所述散热槽与激光晶体的接触面抛光镀金处理。

进一步的，所述第一泵浦腔体与第二泵浦腔体错位对接，其中第一泵浦腔体的泵浦源对应第二泵浦腔体的散热槽。

更进一步的，所述第一泵浦腔体与第二泵浦腔体的上端设置有热电制冷器，所述热电制冷器与泵浦腔体紧密接触。

作为一种改进，所述第一泵浦腔体与第二泵浦腔体之间设置有偏振旋光晶体。

作为进一步的改进，每个泵浦腔体包括N组泵浦源和散热槽，所述泵浦源与散热槽以360/2N度交替均匀分布在通孔的圆周内。

具体的，所述散热槽和金属热沉经精密加工为一体化。

具体的，所述泵浦源通过焊接或螺钉紧固的方式设置在通孔内。

具体的，每个泵浦腔体具体包括3组泵浦源和散热槽，所述泵浦源与散热槽以60度交替均匀分布在通孔的圆周内。

本实用新型一种DPL脉冲激光器侧泵腔体，通过将泵浦源和散热槽交替均匀分布在热沉的圆周内，泵浦源对激光晶体从多个方向进行均匀泵浦，同时，紧贴晶体的散热槽对激光晶体进行均匀传导冷却，并与泵浦源错开；在激光晶体的同一截面处，泵浦和冷却同时均匀的进行；同时，泵浦腔体分为前后两个相同的腔体，在圆周的位置上错开，前后泵浦相互补偿，无泵浦死角，前后冷却也相互补偿，消除晶体应力，使得DPL激光器的激光工作介质－－－－激光晶体受热均匀、冷却均匀，则晶体应力小使得晶体热损耗、退偏损耗小，同时，泵浦均匀，所以输出激光的光斑均匀、光学质量高、激光效率高。

附图说明

图1为本实用新型一种DPL脉冲激光器侧泵腔体整体示意图；

图2A为本实用新型一种DPL脉冲激光器侧泵腔体第一泵浦腔体示意图；

图2B为本实用新型一种DPL脉冲激光器侧泵腔体第二泵浦腔体示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种DPL脉冲激光器侧泵腔体，包括两个相同结构的泵浦腔体，分别为第一泵浦腔体和第二泵浦腔体；所述泵浦腔体包括金属热沉1，所述金属热沉1具有圆形通孔；所述通孔中心设置有激光晶体4，和设置所述激光晶体4周围的多组散热槽2和泵浦源3；所述泵浦源3与散热槽2交替均匀分布，所述散热槽2与激光晶体4紧密接触，所述散热槽2与激光晶体4的接触面抛光镀金处理。所述泵浦源3具体为二极管巴条阵列。本实用新型相对于常规的圆周泵浦采用360度圆周冷却交替进行的侧泵浦方式，在同样的泵浦功率下，腔体长度大大减小，使得腔体体积相应减小，泵浦均匀、无泵浦死角，散热均匀，消除晶体应力。

进一步如图2A－2B所示，所述第一泵浦腔体与第二泵浦腔体错位对接，其中第一泵浦腔体的泵浦源3对应第二泵浦腔体的散热槽2，反之，第二泵浦腔体的泵浦源3位置对应第一泵浦腔的散热槽2位置。前后泵浦相互补偿，无泵浦死角，前后冷却也相互补偿，消除晶体应力，从而达到输出激光光学质量高、峰值功率大、效率高、可靠性高、易操作的效果。

更进一步的，所述第一泵浦腔体与第二泵浦腔体的上端设置有热电制冷器6，所述热电制冷器6与泵浦腔体紧密接触。

作为一种改进，所述第一泵浦腔体与第二泵浦腔体之间设置有偏振旋光晶体5。

作为进一步的改进，每个泵浦腔体包括N组泵浦源3和散热槽2，所述泵浦源3与散热槽2以360/2N度交替均匀分布在通孔的圆周内。

具体的，所述散热槽2和金属热沉1经精密加工为一体化。

具体的，所述泵浦源3通过焊接或螺钉紧固的方式设置在通孔内。

具体的，每个泵浦腔体具体包括3组泵浦源3和散热槽2，所述泵浦源3与散热槽2以60度交替均匀分布在通孔的圆周内。

本实用新型在实现体积小型紧凑化的同时还解决散热和泵浦的问题，由于采用了这种均匀泵浦、均匀冷却并前后相互补偿的泵浦方式，使得DPL激光器的激光工作介质－－－－激光晶体受热均匀、冷却均匀，晶体应力小使得晶体热损耗、退偏损耗小，使得热传导冷却均匀、泵浦对称均匀并且前后均匀补偿，所以输出的激光光斑均匀，光学质量更高，激光效率更高。

以激光输出150mJ，重复频率20Hz，激光出射光斑直径6mm为例，泵浦腔长度一般根据激光晶体的尺寸来确定，而激光晶体的尺寸由所需要的输出激光参数确定，根据上述本实用新型实施例的激光参数，确定激光晶体直径6mm，激光晶体总长度100mm，分为两段对应前后两个泵浦腔体，每段晶体长度50mm，则可以确定前泵浦腔的长度为50mm，同样，后泵浦腔长度也为50mm。

进一步根据上述实施例的激光输出能量150mJ的要求，按照一般的DPL激光器的泵浦光产生输出激光的光光效率15％计算，则需要1000mJ的泵浦光能量，若考虑泵浦光的脉冲宽度为200us，则泵浦光的峰值功率为5000W，考虑实际应用中，巴条的降低额度使用以及功率余量，则需要7200W的巴条输出总功率，若选取每条巴条输出150W，则共需要48条二极管巴条数。

根据所需巴条的总数48条，则前后泵浦腔体各分配24条巴条，每一条巴条长度约12mm，则在泵浦腔轴向上，可以排列4组共48mm，满足50mm泵浦腔长的要求，每组6条在泵浦腔体圆周内三个呈120度方向的均匀分布，则一个方向是2条巴条组成一组阵列，最后，可以计算出单位厘米长度上的泵浦峰值功率为：满功率6＊150W＝900W，按70％的使用额度为900W＊70％＝630W。

在泵浦腔体截面上泵浦源巴条3的发光长度和散热槽2的冷却弧长确定：巴条3的发光长度定义为巴条的发光表面到激光晶体表面的距离，散热槽2的冷却弧长为散热槽与圆柱形激光晶体接触的弧长，对于直径6mm的激光晶体，一般设定散热槽的冷却弧长3mm，三个冷却弧长共6mm，再根据巴条的发射全角70度，晶体直径6mm，可以计算出巴条的发光长度为2.6mm，设巴条阵列的发光面到巴条安装面的高度3mm，则可以计算出热沉1的圆周直径为16.2mm。

通过上述对泵浦腔实施例的设计与计算，可以得出泵浦腔体的设计参数：泵浦腔体两个，每个腔体长度50mm，腔体热沉上的圆周直径16.2mm，圆周上120度匀布三个散热槽和三个巴条阵列，每个散热槽的冷却弧长3mm，每个巴条阵列有两条巴条，每条巴条的最大发射功率150W，巴条的发光长度2.6mm，共48个巴条均匀分布在前后两个泵浦腔体内，总泵浦功率7200W，单位厘米长度上的泵浦峰值功率为：满功率900W，按70％的使用额度为630W。

通过实践验证，本实用新型一种DPL脉冲激光器侧泵腔体，通过将泵浦源和散热槽交替均匀分布在热沉的圆周内，泵浦源对激光晶体从多个方向进行均匀泵浦，同时，紧贴晶体的散热槽对激光晶体进行均匀传导冷却，并与泵浦源错开；在激光晶体的同一截面处，泵浦和冷却同时均匀的进行；同时，泵浦腔体分为前后两个相同的腔体，在圆周的位置上错开，前后泵浦相互补偿，无泵浦死角，前后冷却也相互补偿，消除晶体应力，使得DPL激光器的激光工作介质－－－－激光晶体受热均匀、冷却均匀，晶体应力小使得晶体热损耗、退偏损耗小，同时泵浦均匀，所以输出激光的光斑均匀、光学质量高、激光效率高。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。