一种相变冷却热容式旋转激光器的制作方法

本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种相变冷却热容式旋转激光器。

背景技术：

热容激光器不是一种新构型的激光器，“热容”指的是一种工作模式，即在激光激射过程中不对激光介质进行冷却，而是在两个激射过程的间隙才进行强制冷却。采用热容方式工作时，由于不进行散热，激光介质内部的温度梯度较小，在理论上带来的光学热畸变也比较小；另外，由于表面温度高于内部温度，激光介质表面的应力表现为压应力。由于激光介质能承受的压力比张力至少强5倍，激光介质的破坏阈值大幅度提高，从而使得允许的抽运强度也大幅提高。

热容工作模式存在两个致命缺点：1)激光的光束质量随着出光时间的增加而迅速退化，这主要是由抽运不均匀性造成的，即使采用了先进的自适应光学技术，也无法保证光束质量总是保持在2倍衍射极限之内；2)热容激光的工作机制决定其不能长时间出光，冷却需要几十秒至数分钟，难以符合实用要求。因此，热容激光器虽然具有定标放大至100kw的能力，但其应用前景并不乐观。

图1所示的结构具有相变冷却热容激光器的特征。图1中激光介质旋转，激光介质的边缘一个小区域被泵浦激励加热，但由于激光介质的旋转，这个小区域的加热只持续了很短的时间，在这个很短的时间里，介质的冷却可以忽略。图2所示为相变冷却系统结构示意图，如图2所示，热管连接激光介质和冷板，冷板通过出气管和回液管与冷凝器相连，冷板中放置有相变介质。当激光介质的热量通过热管传递到冷板，相变介质在冷板中发生相变，由液体变为气体，气体通过出气管到达冷凝器，冷凝器在冷却水的作用下，使得气体放出热量，发生相变，由气体变为液体，再通过回液管回到冷板，由此进行循环达到对激光介质的热量冷却的目的。

图1所示相变冷却热容式旋转激光器，激光介质围绕自身的中心进行自转，激光介质通过热管与相变冷却单元连接，泵浦光从激光介质边缘入射，具体旋转过程如图3所示，如图3中(a)、(b)、(c)、(d)是激光介质自转的位置变化图，利用转盘的自转带动激光介质绕着中心不断的发生自转，从而使泵浦光照射的位置不断的发生变化，泵浦光的照射位置由激光介质的a、b、c到d循环变化。因为受到泵浦光的照射，激光介质需要冷却，在进行冷却时，如果使用图1所示传统的相变冷却的方式，由于激光介质自身不断的转动，带动热管的一端不断的朝着一个方向转动，而另一端保持不动，导致热管不断的扭曲，导热效率降低，同时系统的寿命降低。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决传统相变冷却热容激光器由于激光介质自转导致热管不断扭曲，导热效率低且系统寿命低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种相变冷却热容式旋转激光器，包括：激光器泵浦单元、激光介质、相变冷却单元以及激光谐振单元；

所述激光器泵浦单元，用于提供泵浦光；

所述激光介质，用于接受所述泵浦光的照射，在泵浦光的作用下受激辐射发射激光；所述激光介质保持平动旋转，使得泵浦光照射到激光介质的不同位置；激光介质侧面与相变冷却介质接触，通过相变冷却制冷；

所述相变冷却单元通过热管与激光介质连接，通过所述热管将激光介质上的热量传递到相变冷却单元，所述激光介质保持平动旋转使得所述热管不发生扭曲；

所述激光谐振单元，用于将激光介质发射的激光振荡后输出。

具体地，加热后的激光介质在旋转过程中位于所述预定区域以外时被冷却，所述激光介质在旋转过程中保持一种方向不变的平动旋转。

具体地，选择合适的激光介质尺寸，在可能的条件下尽量增大介质的尺寸，保证在旋转过程中介质有足够的冷却时间。

在一个可能的实施例中，该激光器还包括：平动旋转单元，用于控制激光介质保持平动旋转。

在一个可能的实施例中，所述平动旋转单元包括：固定平板、第一导轨、第二导轨、第一滑轨、第二滑轨、辊筒、轴承以及转盘；

所述激光介质封装于所述辊筒，所述辊筒的两端封装面均可透光；

所述固定平板上开设第一圆孔，所述辊筒的一端嵌入所述第一圆孔与所述固定平板固定连接，所述固定平板的顶端连接第一滑轮，所述第一滑轮与第一导轨滑动连接，所述第一滑轮可以在第一导轨上左右滑动，所述第一导轨与第二滑轮连接，所述第二滑轮与第二导轨滑动连接，所述第二滑轮可以在第二导轨上上下滑动，所述第一导轨和第二导轨的轨道方向垂直；

所述转盘中开设第二圆孔，所述第二圆孔的中心与转盘的中心不重合，所述转盘的圆心在第二圆孔中，所述第二圆孔的边缘与轴承连接，所述辊筒的另一端嵌入轴承并与轴承连接。

在一个可能的实施例中，控制所述转盘旋转，在所述轴承的作用下，所述转盘带动辊筒发生相对转动，辊筒在所述固定平板、第一导轨、第二导轨、第一滑轨以及第二滑轨的约束下，所述辊筒保持平动旋转，使得激光介质保持平动旋转。

在一个可能的实施例中，所述泵浦光入射到转盘的中心位置，射入所述激光介质的非中心位置。

在一个可能的实施例中，所述激光器泵浦单元包括：激光器和耦合模块；

所述激光器用于发出泵浦光；

所述耦合模块用于对所述泵浦光整形后耦合到所述激光介质。

在一个可能的实施例中，所述激光介质、相变冷却单元以及平动旋转单元均位于所述激光谐振单元。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种相变冷却热容式旋转激光器，本发明采用平动旋转的激光介质获得脉冲激光输出，由于激光介质平动旋转使得热管不发生扭曲，增加热管效率。首先，激光介质中受半导体激光器泵浦的区域周期性变化，激光介质同一区域可以避免长时间连续吸收热量，吸热与散热交替进行，所以激光介质可以承受更高功率的泵浦光以获得更高功率的激光输出；其次，激光介质中受半导体激光器泵浦的区域周期性变化，使得在使用一个区域时，其他区域处于冷却状态，减少了冷却时间，延长了工作时间，最后，由于循环使用激光介质的不同区域，一定程度上降低了热效应，改善了光束质量。

总而言之，本发明提出的相变冷却热容式旋转激光器，热管的效率高且寿命长，激光器的工作时间长，没有热效应，可以获得更长的工作时间和良好的光束质量。

附图说明

图1是常见的相变冷却热容式旋转激光介质示意图；

图2为常见的相变冷却系统结构示意图；

图3是常见的相变冷却热容式旋转激光介质具体旋转示意图；

图4是为本发明实施例中一种相变冷却热容旋转激光器的结构示意图；

图5是为本发明实施例中一种相变冷却旋转激光介质的旋转示意图；

图6是为本发明实施例中一种相变冷却热容旋转激光器旋转激光介质的平动旋转单元机械结构示意图；

图7是为本发明实施例中一种相变冷却热容旋转激光器旋转激光介质的具体旋转示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为半导体激光器泵浦单元，2为激光介质，4为激光谐振单元，11为半导体激光器，12为耦合模块，31为相变冷却单元，32为热管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了解决现有的技术的不足，本发明提供一种相变冷却热容式旋转激光器，获得更高功率，更长的工作时间。

为了实现上述目标，本发明提供了一种相变冷却热容式旋转激光器，包括半导体激光器泵浦单元，旋转激光介质单元，相变冷却单元和激光谐振单元，其中：

所述半导体激光器泵浦单元包括半导体激光器和泵浦光耦合系统，所述激光谐振单元包括组成谐振腔的镜片，所述相变冷却单元包括相变冷却单元与热管所述旋转激光介质单元置于所述激光谐振单元中；所述相变冷却单元包括相变冷却单元与热管；

所述半导体激光器发出的泵浦光经泵浦光耦合模块整形后耦合进入所述激光谐振单元中的旋转激光介质中，从而旋转激光介质在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射生成的激光从所述激光谐振单元输出；

所述相变冷却单元中热管连接相变冷却单元与激光介质；

所述旋转激光介质为处于旋转状态的圆盘状、或者椭圆盘状、或者圆环状、或者椭圆环状的激光介质，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转的圆盘状增益介质的非中心位置入射或通过，在旋转过程中，所述旋转激光介质的不同位置产生受激辐射。

本发明的一个实施例中，所述旋转激光介质以其边缘处泵浦光入射位置的法线为中心轴公转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转激光介质的非中心位置入射或通过；或者，所述旋转相激光介质以自身中心轴线为中心轴自转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转激光介质的非中心位置入射或通过。

本发明的一个实施例中，所述激光谐振单元需使激光模式与泵浦光良好匹配，

本发明的一个实施例中，所述激光谐振单元包括输出镜，泵浦光经泵浦光耦合模块入射到旋转的激光介质，旋转的激光介质在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射产生的激光在激光谐振单元内振荡，耦合模块出射；激光介质旋转，泵浦光再次经泵浦光耦合系统入射到旋转的激光介质中，旋转激光介质在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射产生的激光在激光谐振单元内振荡，耦合模块出射；激光介质继续旋转，重复上述过程；在激光出射后，刚刚激射的区域利用热管将热量传导到相变冷却单元，相变冷却单元对激光介质进行冷却：形成相变冷却热容式激光器输出。核心思想就是：利用激光介质的旋转，将被加热的激光介质移出泵浦区域，在泵浦区域之外利用相变冷却单元进行冷却。

本发明采用相变冷却热容式旋转激光介质激光器的方案，激光介质受半导体激光器泵浦的区域周期性变化，在一个区域加热的时候，其他区域处于冷却状态，在这个区域被泵浦加热后，激光介质旋转到下个区域，刚刚被泵浦加热的区域由热管与相变冷却单元相连，进行冷却，在泵浦结束以后，激光介质接着旋转，形成一个循环。在整个过程中，激光器不需要在激光产生的时候进行冷却，降低了热效应，提高了光束质量，同时突破了工作时间的限制，可以工作更长的时间，

具体地，如图4所示，本发明提供了一种相变冷却热容式旋转激光介质激光器，包括半导体激光器泵浦单元1、旋转激光介质2、相变冷却单元3和激光谐振单元4，其中：

所述半导体激光器泵浦单元1包括半导体激光器11和泵浦光耦合模块12，所述相变冷却单元3包括相变冷却单元31和热管32，热管连接激光介质2与相变冷却单元31，所述激光谐振单元4包括组成谐振腔的镜片；所述旋转激光介质设置于所述激光谐振单元4中；

所述半导体激光器11发出的泵浦光经泵浦光耦合系统12整形后耦合进入所述激光谐振单元4中的旋转激光介质2，从而旋转激光介质2在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射生成的激光在激光谐振单元3内振荡并从所述激光谐振单元4输出，激光介质2受激辐射产生的热量，在激光输出后，有热管32传到相变冷却单元31进行冷却。

在本发明实施例中，所述泵浦光耦合系统由透镜或者光纤构成，泵浦光经透镜组整形成合适尺寸耦合进入激光介质，也可以将泵浦光经光纤耦合进入激光介质。本发明实施例中，以透镜组为作为泵浦光耦合系统说明本发明技术方案。

在本发明具体实施例中，所述旋转激光介质为处于旋转状态的圆盘状、或者椭圆盘状、或者圆环状、或者椭圆环状的增益介质，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转的圆盘状增益介质的非中心位置入射或通过，在旋转过程中，所述旋转激光介质的不同位置产生受激辐射。

所述旋转激光介质2并非固定静态不动，而是处于动态旋转状态。如图/5所示，为了使增益界面得到均匀的受激辐射，可以使用圆盘状增益介质，并且应处于匀速旋转状态。其中，l表示泵浦光和受激辐射产生激光的方向。具体地，l处可以是转盘的中心。

具体实施时，如图6所示，为本发明实施例提供的平动旋转单元机械结构示意图，可将圆盘状增益介质夹持于一个辊筒内，中间为通光孔，辊筒分别与两个轴承的内圈过盈配合，两个轴承的外圈分别与转盘的内圈过盈配合，而转盘固定在基座上，一个大的同步带轮与转盘固定在一起通过键连接传力转动，一个小的同步带轮与电动机的转动轴固定在一起通过键连接传力转动，而小的同步带轮与大的同步带轮之间通过同步带传力转动，，使得电机提供转盘转动的动力，因此夹持圆盘状的激光介质的辊筒在电机、转盘、轴承及相关组件驱动下旋转。而泵浦光与激光振荡光路从旋转的圆盘状激光介质的边缘处入射并通过，激光介质受激辐射的区域周期性变化。为了防止激光介质发生自身旋转，使用导轨和滑轮对激光介质进行固定，使其可以发生平动，却又不能够自由转动，其中一个导轨负责上下运动，一个导轨负责左右运动，导轨之间使用滑轮连接，负责上下运动的导轨固定在一个固定的底座上。具体地，电机和同步带等部件未在图6中示出，其具体结构本领域技术人员可以想象，在此不做赘述。

其中，转盘中设有一个偏心的圆孔，辊筒结合轴承嵌入所述圆孔。辊筒的半径大于转盘的二分之一半径，以使得当泵浦光从转盘中心入射时，泵浦光可以照射到辊筒的增益介质上。可以理解的是，增益介质即激光介质。

具体地，如图6所示，其中转盘由其他动力装置带动它绕自身中点发生自转，同时转盘中偏心的一块区域利用轴承与封装激光介质的辊筒的一段相连，它们两者之间可以发生相对转动，然后辊筒的另一端与固定平板连接，两者之间不能发生相对运动；固定平板通过滑轮与导轨相连，此处的连接只能够控制左右运动，不能上下运动，然后利用滑轮将导轨与另外一个控制上下运动的导轨连接，从而实现激光介质的平动旋转。激光介质平动旋转则保证了热管不被带着转动，避免热管发生扭曲，保证了热管的导热效率和寿命。

而旋转激光介质2通过相变冷却单元3带走热量而冷却，从而减小增益介质中的热效应，获得高功率高光束质量激光输出。

具体地，如图7所示，为本发明实施例中一种旋转激光介质的旋转示意图，所述旋转激光介质2以其边缘处泵浦光入射位置的法线为中心轴公转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转激光介质的非中心位置入射或通过；具体实施方法如图7中(a)泵浦光从固体激光介质圆盘(或棒)端面入射，处于圆盘边缘位置l处，激光介质圆盘远大于中心处于l位置的激光泵浦相变区。激光介质圆盘初始时处于图7中(a)所示位置1，激光介质圆盘中心绕l点逆时针旋转，但保持方向不变，即图中用abcd代表的介质圆盘取向在旋转的过程中始终保持不变，这样就可以保证导热的热管的一段不会旋转。当圆盘旋转到图7中(b)所示的位置2时，处于激光泵浦区的圆盘区域也从a点变到了b点，这就保证了在当圆盘中心旋转1/4周期的过程中，圆盘边缘弧线ab连续不断进入增益区。当圆盘从图7中(b)所示位置旋转到图7中(c)所示的位置时，处于激光泵浦区的圆盘区域从b点变到c点，在这个1/4旋转周期过程圆盘边缘弧线bc连续不断进入增益区。当圆盘从图7中(c)所示位置旋转到图7中(d)所示的位置时，处于激光泵浦区的圆盘区域从c点变到d点，在这个1/4旋转周期过程圆盘边缘弧线cd连续不断进入增益区。这样就实现了abcd区域依次被泵浦，只要圆盘中心不断绕l点旋转，同时保持圆盘方向不变，则圆盘边缘处的圆周abcd连续进入泵浦增益区，同时相变介质与激光介质由热管相连接，激光介质产生的热量利用热管传导到相变冷却单元，实现了激光介质的冷却。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。