一种大尺寸板条激光器晶体的液体冷却装置

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种大尺寸板条激光器晶体的液体冷却装置。


背景技术：

2.随着固体激光器技术的发展以及人们对激光器指标要求的提高，高功率、高光束质量等需求成为更多应用系统所追求的光源性能指标，而与之对应的就是更高要求的激光器热管理技术。其中激光晶体的冷却是系统冷却中的关键，它不仅关系到系统的正常工作，同时更是影响高光束质量、高功率的重要因素之一。激光晶体的冷却要求不仅仅在乎晶体的整体温度水平，更加关注于晶体的温度均匀性，温度均匀性直接的体现就是温度梯度，梯度大的，热应力就大，随之而来的应力双折射、热焦距、退偏损耗等的有害效应就越大。众所周知，对于板条激光晶体，作为放大器增益介质，采用zigzag光路传输形式是一种非常有效的热效应积分抵消的手段，但这也仅仅是对于zigzag“之”字形光路垂直于传输方向(即光路平面内，垂直于被放大光整体走向的方向)上的热效应做抵消，对于垂直于zigzag平面的不均匀热梯度所导致的热效应没有任何抵消作用，因此保证该方向上的晶体热均匀性更是晶体热控制中的重点。
3.现有晶体冷却技术，无论是对激光棒，还是板条状激光晶体，仅考虑到晶体的宏观注入功率，即满足注入光功率
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(1－“光-光”效率)＝液体冷却功率，当冷却系统仅考虑能量-功率的维度时，从整体上看是可以完成增益介质的冷却的，但在细节上容易出现热分布不均匀的情况，对于棒状晶体如，类似圆截面内的非同心圆形等温线分布，而对于板条状晶体如，则为通光截面内的多维不均匀分布。在这些温度场分布的影响下，所放大的信号光会因为受到不同方向上的不均匀折射率等的作用，产生不均匀的畸变，最终导致放大器后端输出的光斑发生严重变形，极大地影响最终的输出激光光束质量，造成整体冷却表现良好、观测点晶体温度水平正常，但激光输出光束质量较差的现象，实则晶体内部温度分布不均、热应变变化复杂，传统的冷却方式如浸入式的全腔冷却、固体传导冷却(这其中又有微通道与宏通道)均会带来不同的流体、温度等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种大尺寸板条激光器晶体的液体冷却装置，该装置能够有效控制晶体温度场分布、降低整体温度水平，高效高质量的为大功率板条状激光放大器晶体进行冷却。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种大尺寸板条激光器晶体的液体冷却装置，所述装置包括包覆板条激光器晶体的两个流体腔体结构件，两个流体腔体结构件均设置有入水端和出水端，冷却液由入水端进入两个流体腔体结构件后能等份地分别进入板条激光器晶体两侧面的冷却工作区域；
7.两个流体腔体结构件具有对称性，两大面换热的水流与换热效率的参数完全相
同，在包覆板条激光器晶体的两大面上分别形成两个镜像、且相同的水路通道，通过导引冷却水流高速通过泵浦光作用区域，带走所积累的热量；
8.每个流体腔体结构件包括有比例分水器、导流通道、蓄水过渡腔、流体变径注入窗口，其中：
9.所述比例分水器通过调节主进水管道后端连接的分水阀门，控制包覆板条激光器晶体两大面水流的流量，进而控制两大面水流的冷却能力；当板条激光器晶体出现垂直两大面方向的温度分布偏移现象时，通过所述比例分水器控制两边冷却液的流量，将偏移的温度分布进行补偿，以控制到中间对称的状态，优化晶体热分布；
10.所述蓄水过渡腔位于入水端，用于缓存进水；
11.所述导流通道一端连接所述蓄水过渡腔，另一端连接所述流体变径注入窗口；
12.所述流体变径注入窗口为一段弧形导水结构，在高速水流由所述导流通道进入工作区域与板条激光器晶体侧面接触前，会通过所述弧形导水结构，减小流体流动矢量与板条激光器晶体表面的夹角，控制流体动压损失以及流体冲击对板条激光器晶体造成的不良震动影响。
13.由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置能够有效控制晶体温度场分布、降低整体温度水平，高效高质量的为大功率板条状激光放大器晶体进行冷却，同时提供一定的经济性、工艺性、可靠性等。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
15.图1为本发明实施例提供的大尺寸板条激光器晶体的液体冷却装置的整体结构示意图；
16.图2为本发明实施例所述流体腔体结构件的局部结构示意图；
17.图3为本发明实施例所述流体腔体结构件中比例分水器的结构示意图；
18.图4为本发明实施例所述纵向强制对流冷却技术的示意图。
具体实施方式
19.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
20.如图1所示为本发明实施例提供的大尺寸板条激光器晶体液体冷却装置的整体结构示意图，所述装置包括包覆板条激光器晶体的两个流体腔体结构件，两个流体腔体结构件均设置有入水端和出水端，冷却液由入水端进入两个流体腔体结构件后能等份地分别进入板条激光器晶体两侧面的冷却工作区域；
21.两个流体腔体结构件具有对称性，两大面换热的水流与换热效率的参数完全相
同，在包覆板条激光器晶体的两大面上分别形成两个镜像、且相同的水路通道，通过导引冷却水流高速通过泵浦光作用区域，带走所积累的热量；具体实现中，由于两侧泵浦光相同，而板条激光器晶体均匀掺杂，因而晶体发热场具有中心对称的规律，这里通过设计导流结构保证两大面上的冷却液体具有相同的且均匀的流场；
22.如图2所示为本发明实施例所述流体腔体结构件的局部结构示意图，如图3所示为本发明实施例所述流体腔体结构件中比例分水器的结构示意图，结合图2和3，每个流体腔体结构件包括有比例分水器、导流通道、蓄水过渡腔、流体变径注入窗口，其中：
23.所述比例分水器通过调节主进水管道后端连接的分水阀门，控制包覆板条激光器晶体两大面水流的流量，进而控制两大面水流的冷却能力；当板条激光器晶体出现垂直两大面方向的温度分布偏移现象时，通过所述比例分水器控制两边冷却液的流量，将偏移的温度分布进行补偿，以控制到中间对称的状态，优化晶体热分布；
24.所述蓄水过渡腔位于入水端，用于缓存进水；
25.所述导流通道一端连接所述蓄水过渡腔，另一端连接所述流体变径注入窗口；
26.所述流体变径注入窗口为一段弧形导水结构，在高速水流由所述导流通道进入工作区域与板条激光器晶体侧面接触前，会通过所述弧形导水结构，减小流体流动矢量与板条激光器晶体表面的夹角，控制流体动压损失以及流体冲击对板条激光器晶体造成的不良震动影响。
27.具体实现中，将所述装置所形成的水路通道分为水流注入口段、紊乱流场缓冲段、通道截面压缩水流加速段、近切向弧形导水挡板、窄截面层流直接对流换热段以及出口段，其中：
28.经过紊乱流场缓冲段、通道截面压缩水流加速段的高速流体，在窄截面层流直接对流换热段的流场将达到均匀，这不仅提供了均匀的冷却效果，同时保证了泵浦光的良好通过；
29.通过对窄截面层流直接对流换热段内流体的流速控制，使流场处于主流层流、边界层湍流的状态，利用主流层流均匀流场的特性保证整体换热的均匀性，利用边界层湍流流场的状态，提高边界层换热速度，提升整体换热效率；
30.具体实现中，对功率高的晶体部分可增加流体换热效率，对功率低的部分可适当降低换热效率，有效控制晶体温度分布，实现“冷热”匹配的状态。
31.所述装置采用纵向强制对流冷却技术，如图4所示为本发明实施例所述纵向强制对流冷却技术的示意图，在垂直于zigzag光束平面上贴近板条激光器晶体表面的换热区域部分，沿该方向的流场具有一致性，该一致性在于流速、厚度、流动状态(层流、或湍流)、流动矢量方向(按照设计，该方向应基本沿着晶体长度方向以及种子光传播方向，即所谓纵向)；
32.应用这一策略能够保持板条激光器晶体垂直于zigzag光路平面上温度场的均匀性，同时结合zigzag光路布置方案能够有效地通过积分的方式抵消板条激光器晶体zigzag平面内的不良热效应，如此一来，在种子光传输的过程中，垂直于传输平面上的两维(y、z)方向的畸变均受到了良好控制。而仅存的热梯度为x方向上由于流体升温所带来的影响，这对光束质量的影响极小。
33.另外，由于流场在热交换工作区域的液体厚度为毫米量级，根据分析与经验，一般
保持在0.6-1.2mm厚度，而流道截面为边长稍大于晶体z方向宽度的长方形截面，在尺度上可以划归为宏通道，在流体阻力方面具有优良的特性，避免给流体驱动单元带来显著负担。此外相对于现有技术浸入式的全腔冷却方案，流体矢量与光束传输平面几乎平行，换热流体传热传质效率高，避免不必要的流动损失，大大降低了流体泵入的体积，降低系统液体压力与循环动力器件的工作压力。
34.另外，在满足通光的要求下还可以对泵光注入窗口、包覆板条激光器晶体的两大面，即两个与冷却液接触的平面主动引入一定的粗糙度，利用微小结构的粗糙表面增强边界层内的湍流强度，增强湍流换热，为整个流场工作区域内产生主流层流、边界层湍流的理想换热流场打好基础。
35.值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
36.综上所述，本发明实施例所述装置具有良好的装配工艺性与密封可靠性，适用于工业化的模块生产，能够有效控制流体动压损耗、降低流阻、提升流体传热传质效率、降低工作流体体积降低系统成本、结构密封压力，以及循环动力器件的工作压力；同时通过采用纵向强制对流冷却的流体技术，改变流场矢量、控制流场分布、优化流场质量，实现高质量、高效的换热过程。
37.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。