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1、陶毓伽等:大功率固体激光器冷却技术进展激光杂志2007年第28卷第2期LASERJOURNAL(Vol.28.No.2.2007)11大功率固体激光器冷却技术进展1,211,21陶毓伽,淮秀兰,李志刚,蔡军1.中国科学院工程热物理研究所,北京1000802.中国科学院研究生院,北京100080提要:本文针对固体激光器散热问题,介绍了近年来国内外的先进冷却技术及其研究进展,并指出了存在的问题,为大功率固体激光器的新型高效冷却与热控技术研发提供了参考依据。关键词:激光器;热效应;常规冷却;微通道;喷雾冷却中图分类号:TK124文献标识码:A文
2、章编号:0253-2743(2007)02-0011-02Advancementofcoolingtechniquesinhigh-powersolidstatelaserTAOYu-jia,HUAIXiu-lan,LIZhi-gang,CAIJun(InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)Abstract:Coolingtechniquesanddevelopmenttendencyofhigh-powersolidstatelaserbothdomesti
3、candforeigninrecentyearsarepresentedinthispaper,whichaimedattheheatremovingproblemofsolidstatelaser.Also,someexistingproblemsthatshouldbedealtwithweproposed.Allofthesearehelpfulforthestudyofpotentcoolingmethodsandnewthermalmanagementtechniquesofhigh-powersolidstatelaserKeywords:laser;thermale
4、ffect;conventionalcooling;microchannel;spraycooling固体激光器输入总能量中仅少部分转换为激光输出,绝种工作模式的主要优点是:(1)激光输出过程中激光晶体表大部分能量转换成器件的热耗散掉了,其中又以激光晶体发面温度比其内部温度高,使其表面所承受的热应力由拉应力热对激光器输出影响最大。发热引起的温度和应力分布改改为压应力,而介电材料能够承受的压应力至少比拉应力大变了激光晶体的折射率和膨胀系数,导致整个晶体的热透镜5倍,系统的破坏极限大幅提高,因此激光晶体所允许的泵浦效应,从而使激光器输出光束质量降低。过大的热应力将导强度和激光器的
5、输出功率均得到相应提高;(2)激光输出过致激光晶体炸裂。发热导致晶体产生的热应力、热透镜效应程中只对激光晶体进行加热而不进行冷却,使其内部温差和等,统称为激光晶体的热效应。激光器的输入功率越大,热热应力均大幅降低,因而有效减小了光程畸变,提高了光束1,2,3质量。效应也越严重。因此,如何及时消除因功率耗散所转化的热量,解决散热冷却问题是研制大功率固体激光器必须据相关文献报道,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室研制攻克的关键技术之一。的热容固体激光器通过喷射适当冷却介质对热的激光晶体4,71固体激光器冷却技术研究概况及发展趋势实现快速冷却(30s至几分钟),由此引发了国外一些学
6、者对喷雾冷却应用于激光晶体的研究。目前国内相关研究甚第一代固体激光器采用的冷却方法主要有泵浦源、晶体棒少,国外于二十世纪九十年代才开始喷雾冷却技术应用于电分别冷却和聚光腔整体冷却。全腔冷却结构简单,适用于小型子器件散热的研究,主要通过实验手段研究喷雾冷却换热特聚光腔,但其冷却液沉淀物会污染器件与腔体,造成输出功率下性,喷雾介质多采用水、甲醇和氟里昂8-10。降。分别冷却效果好,不污染腔体表面,适用于较大功率输出的4,52常规冷却方式及其研究方法器件,但是流动管道和封接环节多,结构复杂。第二代固体激光器的激光晶体为板条状,在板条的扁方11瑞士学者R.Weber等人分别
7、就四种不同的激光晶体向上侧面泵浦与冷却,温度梯度也出现在扁方向上。第二代冷却方式进行了理论计算和实验测试。激光晶体为Nd:YAG固体激光器保证入射光传播方向与温度梯度方向接近一致,圆棒,二极管列阵纵向泵浦。四种不同冷却方式分别为:(1)4改善了热透镜效应,使输出功率得到较大提高,但是由于泵浦面采用空气直接冷却,非泵浦面粘贴铜翅片散热;(2)一能量积存导致温度过高及温度分布不均引起的热应力仍然侧泵浦面与非泵浦面采用直接水冷,另一侧泵浦面直接空存在。第二代固体激光器通过合理配置散
