專利名稱：一種激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光光學諧振腔領域，具體涉及一種激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷 卻裝置，主要用于激光功率高、傳輸距離遠、不能水冷等場合的激光同軸非穩(wěn)腔輸出窗口冷 卻。
背景技術：
長期以來，正支望遠鏡式虛共焦非穩(wěn)腔由于具有模體積大，能量分布均勻，高損 耗，橫模鑒別能力強和近乎理想的平面波輸出等巨大的優(yōu)點，在高功率激光器上得到了廣 泛的應用。由于正支虛共焦非穩(wěn)腔輸出光束為環(huán)狀光束，因此存在著高功率運轉時，常用的 流體冷卻腔鏡方式存在著流體流道暴露在通光口徑之中的問題，傳統(tǒng)的高功率激光器諧振 腔輸出窗口采用的解決方案是在凸反射鏡的前方光路上以45°斜角插入一片環(huán)狀的刮刀 鏡，獲得與光軸正交的側向輸出。然而激光對于刮刀鏡是45°的斜入射而非正入射，結果造 成所需的膜層反射率要更高于正入射。鑒于當前的鍍膜技術，進一步提高膜層的反射率已 經變得非常困難，因此必須要從冷卻方式上有所創(chuàng)新，去掉熱變形極為嚴重的45°刮刀鏡， 簡化激光器的結構，提高反射鏡本身的散熱能力，才有可能最終解決限制進一步提高激光 器輸出功率的技術難題。同軸非穩(wěn)腔輸出窗口將反射鏡與晶體輸出窗口緊密結合為一體， 去掉了 45°刮刀鏡這一熱吸收變形的重要因素，簡化了激光器結構，又獲得了理想的同軸 輸出光束。同軸非穩(wěn)腔激光器高能運轉時，位于輸出窗口中心部分的凸鏡會吸收部分激光能 量產生溫升和熱畸變，這不僅引起環(huán)形輸出窗口的熱畸變產生相差，更會導致凸鏡熱變形 后鏡面形狀偏離設計面型，輸出光束質量變差。隨著激光功率越來越高，這個問題越來越突 出。對于脈沖激光，由于激光器的平均功率越來越高，單脈沖能量越來越大，激光窗口凸鏡 短時間內承受的熱也越來越大，產生的不均勻熱變形和相位畸變更為嚴重。因此，減少窗口 凸鏡的不均勻熱變形是高功率激光技術中的關鍵技術。由于激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的凸鏡被環(huán)形強激光包圍，對凸鏡的主動冷卻非 常困難。對于這種暴露在通光口徑之中的腔鏡冷卻問題目前主要有三種技術途徑自然冷 卻方式；對鏡面進行主動吹風冷卻；采用相變制冷方式對鏡面進行冷卻。自然冷卻方式采用將環(huán)形輸出光中央的凸鏡與外部散熱片相連，通過散熱片間空 氣的對流來冷卻凸鏡。該方法簡單易行，不需要額外的冷卻器件，但換熱效果有限，僅適用 于功率不大的激光器。主動吹風方式一般通過氣體壓差的方式將冷卻氣體吹反射鏡的表面，帶走反射鏡 表面的熱量，達到冷卻的目的。耿玉民等人設計了一種在高功率氣體激光器密封循環(huán)氣體 內的吹風裝置，將冷卻了的放電工作介質吹向反射鏡或輸出窗口的薄膜表面，以達到鏡面 冷卻的目的(中國專利申請?zhí)?00810051545.X)，該方法可用于高功率TEA C02激光器。另 外一種輔助氣體冷卻方式是通過輔助氣體管路將冷卻氣體沿透鏡座切向方向導入透鏡表 面，在透鏡表面形成渦流，達到對透鏡中心冷卻的目的(中國專利申請?zhí)?1233062. 7)。一般的主動吹風方式的冷卻氣體采用室溫大氣或為氣體配備專用冷卻系統(tǒng)，室溫大氣的冷卻 效果不太理想，而對氣體冷卻則需要添加專用的冷卻系統(tǒng)，管道連接也相對復雜。1991年，美國技術公司的John Bluege和Lake Park等人發(fā)明了“固-液相變冷 卻鏡”(US5076348)。該發(fā)明采用了超薄鏡結構，但基體材料不是銅，而是光學加工性能優(yōu) 良的硅；也采用了主動冷卻技術，但不需附加冷卻系統(tǒng)，僅僅依靠儲存于鏡腔內相變材料的 相變吸熱過程達到冷卻目的。他們研制的相變致冷硅鏡，鏡體尺寸為100mmX 100mm,鏡面 厚度僅1. 5mm,當鏡面反射率為99. 9%時，在1MW強激光輻射下，鏡面熱變形量為0. 05 u m, 一次連續(xù)工作時間可達47s，基本上能滿足百萬瓦級氧碘化學激光器對全反腔鏡的技術要 求。程祖海等人也相繼發(fā)明了“相變致冷超薄多層鏡”，“相變致冷窗口”(中國發(fā)明專利 ZL95124931. 2，ZL98109199. X)，其原理都是采用物質相變吸熱而降低鏡面和窗口的溫升。 通常相變物質采用相變點在25 30°C的物質，如石蠟、金屬稼等。該類鏡子在強激光作用 下已顯示出如下問題相變物質的溫度是一定的，難以適應多變的環(huán)境氣溫；相變物質的 導熱不夠快，當緊挨鏡體固體基體邊沿的相變物質熔化后，離基體較遠的相變物質熔化較 慢，難以滿足高功率激光特別是脈寬越來越窄的高功率脈沖激光的要求；為了存儲相變物 質，通常是在基體材料內激光輻照的背面打孔或者切槽來實現，由于加工工藝的限制，相變 物質的存量有限，無法滿足越來越高的激光功率和越來越長的激光作用時間。渦流管現象是1930年由法國物理學家喬治.朗格發(fā)現。渦流管工作原理是高速的 氣流沿切線方向進入渦流室，便在渦流室的周邊部分形成自由渦流，其旋轉質量角速度在 渦流室邊緣部分較小，而接近軸心部分則越來越大，于是在渦流室中沿半徑方向形成了不 同角速度的氣流層。由于氣流層之間的摩擦，內層的角速度要降低而外層的角速度要提高， 因而內層氣流便將一部分動能傳給外層氣流。渦流室中心部分的氣體當經孔板流出時便具 有了較低的溫度；而邊緣部分的熱氣體當流經熱端管子時，由于摩擦的存在，使動能又轉化 為熱能，因而，經控制閥流出就有了較高的溫度。渦流管制冷具有設備簡單，維護方便，使用 靈活，對氣體純度無特殊要求，可采用常用的易得氣體，如氮氣、二氮化碳等氣體作工質。冷 卻氣體溫度和流量可通過渦流管進氣壓力和位于熱端的溫度控制閥進行調節(jié)。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻裝置，該裝置采用 渦流管輸出的冷卻氣體對激光輸出窗口進行強冷卻，以帶走輸出窗口吸收的激光能量，從 而抑制窗口的溫升和變形。該冷卻裝置特別適合于由于光路的限制而無法進行水冷的大功 率光學器件，減小激光腔鏡特別是激光輸出窗口的熱變形。采用的具體技術方案如下一種冷卻裝置，用于對激光器的同軸非穩(wěn)腔輸出窗口進行冷卻，該冷卻裝置包括 高速氣流產生器、連接管、渦流管、氣流管和窗口固定裝置，該窗口固定裝置具有環(huán)形槽，多 個節(jié)流孔均布于該環(huán)形槽內，所述高速氣流產生器產生的氣流通過連接管輸入渦流管，氣 流在渦流管中一部分轉化為冷卻氣流，該冷卻氣流經過氣流管和環(huán)形槽內的節(jié)流孔均勻噴 射到所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口上，實現對激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的渦流管包括進氣口、渦流室、冷卻氣體出口和熱 氣體出口，所述高速氣流產生器產生的氣流通過連接管沿切線方向經渦流進氣口進入渦流室，氣流在該渦流室內產生出溫度不同的兩束氣流，其中溫度較低的氣流作為冷卻氣流從 所述冷卻氣體出口輸出，溫度較高的氣流從所述熱氣體出口排出。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的冷卻裝置還包括夾持器，用于將渦流管固定于 所述窗口固定裝置上。作為本發(fā)明的進一步改進，所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口包括窗口、凸鏡和散 熱棒，所述冷卻氣流噴射到窗口、凸鏡和散熱棒上。本發(fā)明利用渦流管冷卻系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定性好、維護方便和可無限制連續(xù)工作的 優(yōu)點，設計了渦流管窗口冷卻裝置對窗口及位于同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的凸鏡及散熱棒進行 冷卻，克服了同軸非穩(wěn)腔無法進行水冷的困難。工作時冷氣流均勻導向凸鏡的散熱棒、窗口 及凸鏡，對散熱棒、窗口及凸鏡進行的低溫強迫對流冷卻，從而實現對窗口及凸鏡的冷卻， 減弱同軸非穩(wěn)腔激光器窗口和凸鏡工作時熱吸收引起的光束質量畸變。本發(fā)明的冷卻裝置 結構簡單，穩(wěn)定性好，不需要額外的氣體冷卻裝置，可連續(xù)的工作。當高能激光器連續(xù)長時 間工作時，可以非常有效地控制鏡面熱畸變的大小。
圖1是激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口冷卻裝置結構圖；圖2是本發(fā)明的渦流管結構及原理具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。在激光輻照下，激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的窗口 7及凸鏡8吸收激光能量后各 部位溫度升高不同，產生熱應力，導致變形。由于同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的凸鏡被環(huán)形強激光 包圍，如果采用渦流管冷卻系統(tǒng)對同軸非穩(wěn)腔輸出窗口進行均勻低溫氣流冷卻，則可以降 低窗口 7和凸鏡8的溫升，從而抑制其鏡面面型畸變。本發(fā)明基于上述原理設計而成。如圖1所示，激光器的同軸非穩(wěn)腔輸出窗口由窗口 7、凸鏡8及散熱棒9組成。在 激光器工作過程中，窗口 7和凸鏡8由于吸收激光能量產生不均勻的溫度升高，從而產生不 均勻的變形，使光束質量發(fā)生畸變。散熱棒9雖然能夠起到散熱作用，但是由于輻照的激光 功率大，散熱棒9在不加輔助措施時難以將窗口 7和凸鏡8所吸收的所有激光能量散去，特 別是激光功率很大時。如圖1所示，本發(fā)明提供的同軸非穩(wěn)腔輸出窗口冷卻裝置的渦流管冷卻裝置包括 高速氣流產生器1、連接管2、渦流管3、夾持器4、氣流管5和窗口固定裝置6。窗口固定裝 置6中具有環(huán)形槽10，在該環(huán)形槽10內均布有多個節(jié)流孔11，節(jié)流孔11的數目從數個至 數十個變化。如圖1所示，本發(fā)明采用渦流管3作為冷卻氣體產生元件。渦流管3產生的 冷卻氣體由出口 13流出經過氣流管5和窗口固定裝置6中的環(huán)形槽10，經過節(jié)流孔11均 勻地噴射到窗口 7、凸鏡8和散熱棒9上，帶走窗口 7和凸鏡8吸收的激光能量，從而降低窗 口 7和凸鏡8的溫升和變形。由于從渦流管3出來的冷卻氣體溫度很低；又由于節(jié)流孔11 的直徑很小，因而噴射到激光窗口 7和凸鏡8的散熱棒9上的氣流速度很大，因此該冷卻裝 置能帶走很多的熱量，大大降低窗口 7和凸鏡8的溫升和變形。如圖2所示，本發(fā)明采用的渦流管3是冷卻氣體產生元件，包括進氣口 12、渦流室
513、冷卻氣體出口 14和熱氣體出口 15。通過高速氣流產生器1產生的高速的氣流通過連接 管2沿切線方向經渦流進氣口 12進入渦流室13。在渦流室的周邊部分形成自由渦流，其旋 轉質量角速度在渦流室邊緣部分較小，而接近軸心部分較大，于是在渦流室中沿半徑高速 的氣流沿切線方向進入渦流室，便在渦流室的周邊部分形成自由渦流，其旋轉質量角速度 在渦流室邊緣部分較小，而接近軸心部分則越來越大，于是在渦流室中沿半徑方向形成了 不同角速度的氣流層。由于氣流層之間的摩擦，內層的角速度要降低而外層的角速度要提 高，因而內層氣流便將一部分動能傳給外層氣流。渦流室中心部分的氣體當經孔板流出時 便具有了較低的溫度；而邊緣部分的熱氣體當流經熱端管子時，由于摩擦的存在，使動能又 轉化為熱能，因而，經控制閥流出就有了較高的溫度。方向形成了不同角速度的氣流層。由 于氣流層之間的摩擦，內層的角速度要降低而外層的角速度要提高，因而內層氣流便將一 部分動能傳給外層氣流。渦流室中心部分的氣體由出口 14流出時溫度較低；而邊緣部分的 熱氣體經出口 15時溫度較高，這樣就產生了兩束溫度不同的冷熱氣流。
權利要求
一種冷卻裝置，用于對激光器的同軸非穩(wěn)腔輸出窗口進行冷卻，該冷卻裝置包括高速氣流產生器(1)、連接管(2)、渦流管(3)、氣流管(5)和窗口固定裝置(6)，該窗口固定裝置(6)具有環(huán)形槽(10)，多個節(jié)流孔(11)均布于該環(huán)形槽(10)內，所述高速氣流產生器(1)產生的氣流通過連接管(2)輸入渦流管(3)，氣流在渦流管(3)中一部分轉化為冷卻氣流，該冷卻氣流經過氣流管(5)和環(huán)形槽(10)內的節(jié)流孔(11)均勻噴射到所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口上，實現對激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻。
2.根據權利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述的渦流管(3)包括進氣口(12)、 渦流室(13)、冷卻氣體出口(14)和熱氣體出口(15)，所述高速氣流產生器(1)產生的氣流 通過連接管(2)沿切線方向經渦流進氣口(12)進入渦流室(13)，氣流在該渦流室(13)內 產生出溫度不同的兩束氣流，其中溫度較低的氣流作為冷卻氣流從所述冷卻氣體出口(14) 輸出，溫度較高的氣流從所述熱氣體出口(15)排出。
3.根據權利要求1或2所述的冷卻裝置，其特征在于，所述的冷卻裝置還包括夾持器 (4)，用于將渦流管(3)固定于所述窗口固定裝置(6)上。
4.根據權利要求1-3之一所述的冷卻裝置，其特征在于，所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出 窗口包括窗口(7)、凸鏡⑶和散熱棒(9)，所述冷卻氣流噴射到窗口(7)、凸鏡⑶和散熱 棒(9)上。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種激光器同軸非穩(wěn)腔的輸出窗口冷卻裝置，該冷卻裝置包括高速氣流產生器(1)、連接管(2)、渦流管(3)、氣流管(5)和窗口固定裝置(6)，該窗口固定裝置(6)具有環(huán)形槽(10)，多個節(jié)流孔(11)均布于該環(huán)形槽(10)內，所述高速氣流產生器(1)產生的氣流通過連接管(2)輸入渦流管(3)，氣流在渦流管(3)中一部分轉化為冷卻氣流，該冷卻氣流經過氣流管(5)和環(huán)形槽(10)內的節(jié)流孔(11)均勻噴射到所述激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口上，實現對激光器同軸非穩(wěn)腔輸出窗口的冷卻。本發(fā)明系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定性好、維護方便和可無限制連續(xù)工作，可以非常有效地控制鏡面熱畸變的大小。
文檔編號H01S3/04GK101854019SQ20101020102
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權日2010年6月17日
發(fā)明者余文峰, 盧宏, 葉克飛, 程祖海, 陳佳元 申請人:華中科技大學