專利名稱：半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻方法和冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固體激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻方法和冷卻裝置，特別涉及一種可以用于在高注入功率的情況下實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷的冷卻方法和冷卻裝置，以應(yīng)用于不方便使用水冷的地方，例如飛機(jī)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體泵浦固體激光器有大量的熱損耗，熱主要沉積在激光工作物質(zhì)和半導(dǎo)體激光器上，半導(dǎo)體激光器可以使用熱沉傳導(dǎo)冷卻，同時必須對激光工作物質(zhì)進(jìn)行冷卻?，F(xiàn)有的冷卻方式有傳導(dǎo)冷卻、液體冷卻和風(fēng)冷方式。在激光器系統(tǒng)中采用傳導(dǎo)冷卻的方式，將激光棒直接安裝在散熱器上，保持激光棒與散熱器之間良好的熱接觸。激光棒固定到散熱器的方式有機(jī)械夾固、焊接或粘結(jié)。由于激光晶體熱效應(yīng)的存在，本身晶體棒內(nèi)部的熱分布就不均勻，同時由于激光棒與散熱器之間的接觸面不可能完全接觸，只能部分接觸，引起內(nèi)部的熱分布將分布更不均勻。在激光器系統(tǒng)中采用液體冷卻的方式，消散激光介質(zhì)、泵浦源和激光腔內(nèi)產(chǎn)生的熱。在通常的情況下，是利用閉合回路冷卻系統(tǒng)冷卻，其最基本的元件至少包括水泵、熱交換器和水箱。冷卻設(shè)備除上述元件外，還有粒子過濾器、水軟化器、水測量儀和監(jiān)控流量、溫度、壓強(qiáng)的傳感器。如果使用普通的自來水，就必須定期消除有機(jī)物和礦物沉淀物形成的垢。冷卻液在壓力的作用下流經(jīng)激光棒和燈的表面，燈和激光棒安裝在液流管之間，或是激光頭主體的冷卻箱中。需要冷卻的元件和液體之間的溫差是液流速度和冷卻特性造成的。在液流速度較低時，流動是分層的，絕大部分溫降是由于液體界面靜止邊緣層的單純熱傳導(dǎo)的結(jié)果；液流速度較高時會產(chǎn)生湍流，傳熱更有效，溫度下降幅度更大。對于對環(huán)境要求不高的地方，使用液體冷卻是個不錯的方案，但是液體冷卻所帶有的水箱等附屬設(shè)備較多，在空間有限的地方不方便使用，所以液體冷卻導(dǎo)致冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配備水箱，限制了激光器的使用范圍。在激光器系統(tǒng)中采用風(fēng)冷的方式，在低平均功率激光器尤其是便攜式系統(tǒng)中，有時候利用風(fēng)冷來冷卻激光晶體棒。小型軸流或離心風(fēng)扇能夠產(chǎn)生氣流，冷卻激光頭所需的氣流決定于棒吸收的熱量和氣流方向的最大溫差。在高注入功率的情況下，如果迫使低壓氣流進(jìn)入激光晶體棒表面，同時又保持高傳熱效率，將會遇到很多困難，激光晶體棒來不及冷卻，熱效應(yīng)就得到嚴(yán)重的積累，最后導(dǎo)致激光晶體棒炸裂。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在不能采用水冷的情況下，對高注入功率的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器進(jìn)行有效地冷卻。( 二 )技術(shù)方案 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻方法，所述半導(dǎo)體側(cè)泵激光器包括激光腔和設(shè)置于激光腔內(nèi)的激光晶體棒，所述激光腔采用多排半導(dǎo)體bar條對激光晶體棒進(jìn)行泵浦，所述方法包括:在所述激光腔的腔壁上設(shè)置多個噴霧裝置，該噴霧裝置向所述激光晶體棒噴射水霧；在激光腔中與激光晶體棒平行的方向上設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，使所述激光腔內(nèi)的氣流從進(jìn)風(fēng)口向出風(fēng)口流動。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，所述多排噴霧裝置沿著所述激光晶體棒的長度方向設(shè)置，各排噴霧裝置均勻地分布在所述腔壁的內(nèi)側(cè)。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，該方法還包括:在所述激光腔的內(nèi)側(cè)腔壁上開設(shè)多條狹縫，在每條狹縫中均勻地設(shè)置多個噴霧裝置，使一條狹縫對應(yīng)一排噴霧裝置。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，使噴霧裝置的排數(shù)等于半導(dǎo)體bar條的排數(shù)，所述每排bar條與每排噴霧裝置均勻相間地排布在激光腔體內(nèi)。本發(fā)明還提出一種半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻裝置，所述半導(dǎo)體側(cè)泵激光器包括激光腔和設(shè)置于激光腔內(nèi)的激光晶體棒，所述激光腔采用多排半導(dǎo)體bar條對激光晶體棒進(jìn)行泵浦，所述裝置包括:多個噴霧裝置，設(shè)置在所述激光腔的腔壁，該噴霧裝置用于所述激光晶體棒噴射水霧；進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，設(shè)置于激光腔中且與所述激光晶體棒平行的方向上，用于使所述激光腔內(nèi)的氣流從進(jìn)風(fēng)口向出風(fēng)口流動。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，所述多排噴霧裝置沿著所述激光晶體棒的長度方向設(shè)置，各排噴霧裝置均勻地分布在所述腔壁的內(nèi)側(cè)。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，所述激光腔的內(nèi)側(cè)腔壁上開設(shè)有多條狹縫，在每條狹縫中均勻地設(shè)置多個噴霧裝置，以便一條狹縫對應(yīng)一排噴霧裝置。根據(jù)本發(fā)明的一種具 體實(shí)施方式，所述噴霧裝置的排數(shù)等于所述半導(dǎo)體bar條的排數(shù)，所述每排bar條與每排噴霧裝置均勻相間地排布在激光腔體內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，所屬激光腔體的底部具有聚水管，所述聚水管連接到回收水箱10、如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻裝置，其特征在于，所述回收水箱中的水能夠被噴霧裝置回收利用。(三)有益效果本發(fā)明將風(fēng)冷和噴霧蒸發(fā)冷卻這兩種冷卻技術(shù)復(fù)合后應(yīng)用于半導(dǎo)體側(cè)泵激光器，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效果佳的新型復(fù)合冷卻方法和冷卻裝置，成功的解決了在高注入功率情況下，對于不能水冷的的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器進(jìn)行冷卻的問題。


圖1是本發(fā)明的一個實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例是應(yīng)用于三維半導(dǎo)體側(cè)泵的冷卻方法與裝置；圖2是本發(fā)明的另一個實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例是應(yīng)用于五維半導(dǎo)體側(cè)泵的冷卻方法與裝置。
具體實(shí)施例方式為了解決現(xiàn)有的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的幾種冷卻方式所存在的問題，本發(fā)明提供了一種可實(shí)現(xiàn)在高注入功率的情況下，在空間及不具備水冷條件的情況下，使用風(fēng)冷達(dá)到水冷的冷卻效果的一種冷卻方法和相應(yīng)的冷卻裝置，本發(fā)明能夠成功地將“風(fēng)冷+噴霧蒸發(fā)冷卻”這種復(fù)合冷卻技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體側(cè)泵激光器，是一種結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效果佳的新型復(fù)合冷卻方式。半導(dǎo)體泵浦激光器采用側(cè)泵的泵浦方式，在激光腔內(nèi)放置有激光晶體棒，激光晶體棒放置在腔內(nèi)位于圓心的位置上。激光腔采用η維半導(dǎo)體bar條對激光晶體棒進(jìn)行泵浦。所謂bar條是指排成一排的多個半導(dǎo)體激光器。所述η維半導(dǎo)體bar條是指η個半導(dǎo)體bar條(即η排)均勻地設(shè)置于激光腔的內(nèi)部，以激光晶體棒為中心進(jìn)行均勻排布，η表示采用的bar條的排數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，在激光腔的腔壁上設(shè)置多個噴霧裝置，該噴霧裝置用于向激光晶體棒噴射水霧，所述水霧將激光晶體棒吸收半導(dǎo)體激光后，由于量子虧損等原因引起的熱量帶走。并且，根據(jù)本發(fā)明，在 激光腔中與激光晶體棒平行的方向上設(shè)置一個進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，使激光腔內(nèi)的氣流從進(jìn)風(fēng)口向出風(fēng)口流動，將加快帶走剩余熱量:單純噴霧可能有水滴沉積，沉積后減緩帶走剩余熱量的速度；單純風(fēng)冷，與激光棒空氣接觸，散熱效果遠(yuǎn)不及噴霧風(fēng)冷冷卻效果。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，為了安裝噴霧裝置，在激光腔的內(nèi)側(cè)腔壁上設(shè)置噴霧裝置，使得所述多個噴霧裝置噴射的水霧能夠覆蓋整個激光晶體棒?？紤]到將激光晶體棒的表面完全冷卻，優(yōu)選為在激光腔的內(nèi)側(cè)腔壁上，沿著激光晶體棒的長度方向設(shè)置多排噴霧裝置，各排噴霧裝置均勻地分布在所述腔壁的內(nèi)側(cè)。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，在激光腔的內(nèi)側(cè)腔壁上開設(shè)多條狹縫，在每條狹縫中均勻地設(shè)置多個噴霧裝置，即一條狹縫對應(yīng)一排噴霧裝置。設(shè)狹縫的條數(shù)為N，即噴霧裝置的排數(shù)為N。優(yōu)選地，使噴霧裝置的排數(shù)N等于半導(dǎo)體bar條的排數(shù)η。因?yàn)閲婌F裝置主要用于對激光晶體棒冷卻，而半導(dǎo)體bar條直接對應(yīng)于激光晶體棒的剩余熱量，因此優(yōu)選為將兩者數(shù)量設(shè)置相等。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，在所屬激光腔的腔體的底部設(shè)置一個聚水管，由噴霧所產(chǎn)生的凝結(jié)水經(jīng)激光腔底部后流入聚水管，聚水管連接到到回收水箱，回收水箱上具有水位監(jiān)測器。優(yōu)選地，使所述回收水箱中的水能夠被所述噴霧裝置回收利用。所述每排噴霧裝置，每隔距離LI設(shè)置一個噴霧點(diǎn)，當(dāng)半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的注入功率較高時，需要較密的噴霧裝置；而當(dāng)半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的注入功率較低時，需要較稀的噴霧裝置。在實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同一排噴霧裝置中的噴霧裝置間隔為8_時，激光晶體棒存在被重復(fù)噴霧蒸發(fā)的區(qū)域，當(dāng)噴霧點(diǎn)間隔為12_時，激光晶體棒上存在未被噴霧蒸發(fā)的區(qū)域，由此，本發(fā)明優(yōu)選每排噴霧裝置中的各噴霧裝置的距離LI滿足8mm彡LI ( 12mm，更優(yōu)選為 9mm < LI < 11mm,以 LI = IOmm 最佳。所述噴霧裝置距離激光晶體棒的最近距離為L2，當(dāng)噴霧裝置距離激光晶體棒的最近距離為3mm時，氙燈和激光晶體棒存在被重復(fù)噴霧蒸發(fā)的區(qū)域，當(dāng)噴霧裝置距離激光晶體棒的最近距離為5mm時，激光晶體棒上存在未被噴霧蒸發(fā)的區(qū)域，因此本發(fā)明優(yōu)選為3mm ^ L2 ^ 5mm,更優(yōu)選為 L2 = 4_。所述每個噴霧裝置的流量為P1，當(dāng)噴霧裝置的流量為2mL/min，激光晶體棒上噴附的小水珠過少，不能完全達(dá)到噴霧蒸發(fā)的效果，當(dāng)噴霧點(diǎn)的流量為4mL/min，激光晶體棒上噴附的小水珠過多，在給定的氣流下，噴霧蒸發(fā)后還殘留有小水珠。因此本發(fā)明優(yōu)選為2mT,/mi n ^ Pl ^ 4mL/min,更優(yōu)選為 Pl = 3mL/min。所述噴霧所產(chǎn)生的小水珠的直徑為R2，當(dāng)小水珠的直徑大致為80 μ m時，激光晶體棒上噴附的小水珠過小，小水珠的蒸發(fā)速度過快，不利于保持激光晶體棒的溫度恒定，當(dāng)小水珠的直徑大致為120 μ m時，激光晶體棒上噴附的小水珠過大，小水珠的蒸發(fā)速度過慢，不利于保持激光晶體棒的溫度恒定，因此，本發(fā)明優(yōu)選為80 μ m彡R2彡120 μ m,更優(yōu)選為 R2 = 100 μ m。在與激光晶體棒平行的方向上，設(shè)置有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，吹風(fēng)流量為P2，當(dāng)吹風(fēng)流量為lL/min時，風(fēng)速過慢，蒸發(fā)的速度也相應(yīng)減慢，不利于保持激光晶體棒的溫度恒定，當(dāng)吹風(fēng)流量為1.5L/min時，風(fēng)速過快，蒸發(fā)的速度也相應(yīng)加快，不利于保持激光晶體棒的溫度恒定，由此，本發(fā)明優(yōu)選為1.0L/min ^ P2 ^ 1.5L/min,更優(yōu)選為P2 = 1.3L/min。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例一:
實(shí)施例一采用三維半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦的方式，如附圖1所示。其中I為激光晶體棒，2為激光腔，3、5、7為每排bar條，4、6、8為每排噴霧裝置，13為聚水管，14為回收水箱。在激光腔2內(nèi)放置有激光晶體棒I ;激光腔2采用的是三維半導(dǎo)體激光器側(cè)泵方式，所以在與激光晶體棒I的垂直方向上，激光腔的內(nèi)側(cè)腔壁上均勻地開有3個狹縫，排布有3排噴霧裝置4、6、8。每排bar條與每排噴霧裝置均勻相間地排布在激光腔體內(nèi)。所述每排噴霧裝置，每隔LI設(shè)置一個噴霧裝置，其中LI = Ilmm ;所述噴霧裝置距離激光晶體棒的最近距離為L2，其中L2 = 4mm ;所述每個噴霧裝置的流量為Pl，其中Pl = 3.5mL/min ;所述噴霧所產(chǎn)生的小水珠的直徑控制在R2，其中R2 = 110 μ m ;在與激光晶體棒I平行的方向上，設(shè)置有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口(未示出)，吹風(fēng)流量為P2，其中P2 = 1.2L/min ;所屬激光腔2的腔體的底部具有聚水管13，聚水管13連接到回收水箱14，回收水箱14上具有水位監(jiān)測器(未示出)，回收水箱14中的水能夠被噴霧裝置4、6、8回收利用。實(shí)施例二:實(shí)施例二采用五維半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦的方式，如附圖2所示。其中I為激光晶體棒，2為激光腔，3、5、7、9、11為每排bar條，4、6、8、10、12為每排噴霧裝置，13為聚水管，14為回收水箱。在激光腔2內(nèi)放置有激光晶體棒I ;激光腔2采用的是五維bar條側(cè)泵方式，所以在與激光晶體棒I的垂直方向上，激光腔上均勻地開有5個狹縫，排布有5排噴霧裝置4、6、8、10、12 ;所述每排噴霧裝置，每隔LI設(shè)置一個噴霧裝置，其中LI = IOmm ;所述噴霧裝置距離激光晶體棒的最近距離為L2，其中L2 = 4.5mm ;所述每個噴霧裝置的流量為P1，其中Pl = 3mL/min ;所述噴霧所產(chǎn)生的小水珠的直徑控制在R2，其中R2 = 100 μ m ;在與激光晶體棒I平行的方向上，設(shè)置有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口(未示出)，吹風(fēng)流量為P2，其中P2 = 1.35L/min ;所屬激光腔體2的底部具有聚水管13，聚水管13連接到回收水箱14，回收水箱14上具有水位監(jiān)測器(未示出)，回收水箱14中的水能夠被噴霧裝置4、6、8、10、12回收利用。綜上所述，本發(fā)明提供了一種可實(shí)現(xiàn)在高注入功率的情況下，在空間及不具備水冷條件的情況下，使用風(fēng)冷達(dá)到水冷的冷卻效果的一種冷卻方法和冷卻裝置，本發(fā)明能夠成功地將“風(fēng)冷+噴霧蒸發(fā)冷卻”這種復(fù)合冷卻技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體側(cè)泵激光器，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效果佳的新型復(fù)合冷卻方式，成功的解決了在高注入功率情況下，不能水冷的情況下的激光器冷卻問題。通過上述風(fēng)冷+噴霧蒸發(fā)的復(fù)合冷卻方法，達(dá)到了 1+1 > 2的效果，使得激光器在特定環(huán)境下的冷卻問題得到了解決，擴(kuò)展了激光器可以使用的范圍。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻方法，所述半導(dǎo)體側(cè)泵激光器包括激光腔和設(shè)置于激光腔內(nèi)的激光晶體棒，所述激光腔采用多排半導(dǎo)體bar條對激光晶體棒進(jìn)行泵浦，其特征在于，所述方法包括: 在所述激光腔的腔壁上設(shè)置多個噴霧裝置，該噴霧裝置向所述激光晶體棒噴射水霧； 在激光腔中與激光晶體棒平行的方向上設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，使所述激光腔內(nèi)的氣流從進(jìn)風(fēng)口向出風(fēng)口流動。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻方法，其特征在于，所述多排噴霧裝置沿著所述激光晶體棒的長度方向設(shè)置，各排噴霧裝置均勻地分布在所述腔壁的內(nèi)側(cè)。
3 .如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻方法，其特征在于，該方法還包括:在所述激光腔的內(nèi)側(cè)腔壁上開設(shè)多條狹縫，在每條狹縫中均勻地設(shè)置多個噴霧裝置，使一條狹縫對應(yīng)一排噴霧裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻方法，其特征在于，使噴霧裝置的排數(shù)等于半導(dǎo)體bar條的排數(shù)，所述每排bar條與每排噴霧裝置均勻相間地排布在激光腔體內(nèi)。
5.一種半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻裝置，所述半導(dǎo)體側(cè)泵激光器包括激光腔和設(shè)置于激光腔內(nèi)的激光晶體棒，所述激光腔采用多排半導(dǎo)體bar條對激光晶體棒進(jìn)行泵浦，其特征在于，所述裝置包括: 多個噴霧裝置，設(shè)置在所述激光腔的腔壁，該噴霧裝置用于所述激光晶體棒噴射水霧； 進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，設(shè)置于激光腔中且與所述激光晶體棒平行的方向上，用于使所述激光腔內(nèi)的氣流從進(jìn)風(fēng)口向出風(fēng)口流動。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻裝置，其特征在于，所述多排噴霧裝置沿著所述激光晶體棒的長度方向設(shè)置，各排噴霧裝置均勻地分布在所述腔壁的內(nèi)側(cè)。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻裝置，其特征在于，所述激光腔的內(nèi)側(cè)腔壁上開設(shè)有多條狹縫，在每條狹縫中均勻地設(shè)置多個噴霧裝置，以便一條狹縫對應(yīng)一排噴霧裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻裝置，其特征在于，所述噴霧裝置的排數(shù)等于所述半導(dǎo)體bar條的排數(shù)，所述每排bar條與每排噴霧裝置均勻相間地排布在激光腔體內(nèi)。
9.如權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻裝置，其特征在于，所屬激光腔體的底部具有聚水管，所述聚水管連接到回收水箱。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻裝置，其特征在于，所述回收水箱中的水能夠被噴霧裝置回收利用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體側(cè)泵激光器的冷卻方法和冷卻裝置。所述半導(dǎo)體側(cè)泵激光器包括激光腔和設(shè)置于激光腔內(nèi)的激光晶體棒，所述激光腔采用多排半導(dǎo)體bar條對激光晶體棒進(jìn)行泵浦，所述方法包括在所述激光腔的腔壁上設(shè)置多個噴霧裝置，該噴霧裝置向所述激光晶體棒噴射水霧；在激光腔中與激光晶體棒平行的方向上設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，使所述激光腔內(nèi)的氣流從進(jìn)風(fēng)口向出風(fēng)口流動。本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效果佳的新型復(fù)合冷卻方法和冷卻裝置，成功的解決了在高注入功率情況下，對于不能水冷的半導(dǎo)體側(cè)泵激光器進(jìn)行冷卻的問題。
文檔編號H01S3/042GK103219637SQ201310106459
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者趙偉芳, 林學(xué)春, 侯瑋, 于海娟, 伊肖靜, 李晉閩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所