[实用新型]激光介质的冷却装置及激光系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及薄片激光器的技术领域，特别是涉及一种激光介质的冷却装置及激光系统。

背景技术

全固态激光器(DPSSL，Diode pumped solid state laser)是指以半导体激光器(LD)作为泵浦源的固体激光器，其增益介质、泵浦源部分均由固体物质构成，因此集中了传统固体激光器和半导体激光器的优势于一身。具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、易操作、运转灵活(可连续运转、脉冲运转)、易智能化、无污染等优点。

薄片激光器是全固态激光器的一种，自Adolf.Giesen等人1994年首次实现薄片激光器以来，得到了迅速发展。薄片激光器一般采用厚度很小而横向尺寸较大的薄片状材料作为激光增益介质。将薄片激光增益介质固定在高热导率的紫铜冷却热沉上，紫铜冷却热沉中设有冷却液微通道，冷却液微通道内有高速流动的冷却液。热量首先通过热传导的方式从薄片激光增益介质传导到冷却热沉中，然后在冷却液微通道内与冷却液进行热交换，然后由高速流动的冷却液将热量带走。因此冷却热沉能够为薄片增益介质背面提供冷却。由于薄片介质的面积很大、厚度很小，因此增益介质上的热量可以快速、有效的传递给微通道冷却热沉，再由冷却液带走。

一般薄片激光器采用激光二极管泵浦，二极管泵浦光可以直接泵浦薄片增益介质，也可由光纤耦合输出，泵浦光束方向与薄片增益介质的法线方向呈一定的角度。

薄片激光增益介质的前表面镀对激光和泵浦光都高透射的膜层，泵浦光在薄片激光增益介质表面发生折射，进入薄片激光增益介质，在薄片激光增益介质后表面(即贴紧冷却热沉的面)镀对泵浦光及激光的高反射膜，因此进入薄片激光增益介质内的泵浦光部分被薄片激光增益介质吸收，另外部分由薄片激光增益介质后表面的高反射膜所反射，再次被薄片增益介质所吸收，仍然未被吸收的泵浦光折射进入空气中。为了保证薄片激光增益介质对泵浦光的吸收效率，在泵浦光的反射方向上放置泵浦光的反射镜片，将未被吸收的泵浦光反射回薄片增益介质，使得未被吸收的泵浦光重新进入薄片增益介质，从而增加薄片增益介质的吸收效率。由于薄片激光增益介质的后表面(贴紧冷却热沉的面)已经镀有对激光的高反射膜，因此薄片激光增益介质的后表面即可作为激光腔的高反射镜，因此只需在薄片激光增益介质的正前方放置激光输出镜即可构成谐振腔。

由于薄片激光器具有可以高效导出增益介质内的热沉积、减弱增益介质的热透镜效应等优点，因此可以实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出。由于圆形薄片增益介质产生的激光具有圆对称性，而常用的光学元器件一般都是圆形，因此能够很好的匹配各种光学元器件，所以薄片激光器增益介质形状一般为圆形。

一般的薄片激光器采用光纤耦合输出的二极管激光器泵浦。二极管激光经过光纤耦合输出之后，近似为高斯分布或者平顶分布，加载到薄片增益介质的泵浦光能量集中在中心，中心处能量密度最高，边缘能量密度较弱。而一般的冷却热沉，其冷却过程是先进行热传导，然后再将热量传递给冷却液。这样在高功率运行时，容易导致冷却力度不够。一般的薄片激光增益介质的前表面处在空气之中，只能依靠空气的对流换热进行冷却，冷却效果极其有限。

这样，由于增益介质上的热量分布集中在中心，而冷却热沉的冷却力度不够，会导致增益介质中心处冷却力度不够，所以温度最高，而边缘处温度较低。因此在薄片增益介质上形成由中线到边缘的温度梯度。当薄片激光器高功率运转时，泵浦光功率较高，由于中心处功率密度较大，热量较多，导致中心处温度高，所以中心处增益介质的膨胀较严重，导致增益介质中心处向外膨胀较大，形成类似倒扣的“碗状”变形，这就是薄片激光器的热透镜效应。

另外，由于一般薄片激光器中增益介质上表面镀对激光和泵浦光的高透射膜，而背面镀对激光和泵浦光的高反射膜，由于膜层物质与薄片增益介质的热膨胀不同，因此在温度较高时，薄片增益介质表面的膜层物质产生与薄片增益介质不同的膨胀和变形，从而加剧了薄片增益介质的热透镜效应。

在高功率运行时，薄片增益介质的热透镜效应以及薄片增益介质表面的膜层产生的热膨胀及变形，都会影响激光器的输出功率、稳定性及光束质量。当薄片增益介质膨胀变形超过材料的承受能力，甚至会导致薄片增益介质炸裂。

实用新型内容

基于此，有必要针对薄片增益介质的热透镜效应以及薄片增益介质表面的膜层易发生热膨胀及变形的问题，提供一种激光介质的冷却装置及激光系统。