[发明专利]一种激光器同轴非稳腔输出窗口的冷却装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光光学谐振腔领域，具体涉及一种激光器同轴非稳腔输出窗口的冷却装置，主要用于激光功率高、传输距离远、不能水冷等场合的激光同轴非稳腔输出窗口冷却。

背景技术

长期以来，正支望远镜式虚共焦非稳腔由于具有模体积大，能量分布均匀，高损耗，横模鉴别能力强和近乎理想的平面波输出等巨大的优点，在高功率激光器上得到了广泛的应用。由于正支虚共焦非稳腔输出光束为环状光束，因此存在着高功率运转时，常用的流体冷却腔镜方式存在着流体流道暴露在通光口径之中的问题，传统的高功率激光器谐振腔输出窗口采用的解决方案是在凸反射镜的前方光路上以45°斜角插入一片环状的刮刀镜，获得与光轴正交的侧向输出。然而激光对于刮刀镜是45°的斜入射而非正入射，结果造成所需的膜层反射率要更高于正入射。鉴于当前的镀膜技术，进一步提高膜层的反射率已经变得非常困难，因此必须要从冷却方式上有所创新，去掉热变形极为严重的45°刮刀镜，简化激光器的结构，提高反射镜本身的散热能力，才有可能最终解决限制进一步提高激光器输出功率的技术难题。同轴非稳腔输出窗口将反射镜与晶体输出窗口紧密结合为一体，去掉了45°刮刀镜这一热吸收变形的重要因素，简化了激光器结构，又获得了理想的同轴输出光束。

同轴非稳腔激光器高能运转时，位于输出窗口中心部分的凸镜会吸收部分激光能量产生温升和热畸变，这不仅引起环形输出窗口的热畸变产生相差，更会导致凸镜热变形后镜面形状偏离设计面型，输出光束质量变差。随着激光功率越来越高，这个问题越来越突出。对于脉冲激光，由于激光器的平均功率越来越高，单脉冲能量越来越大，激光窗口凸镜短时间内承受的热也越来越大，产生的不均匀热变形和相位畸变更为严重。因此，减少窗口凸镜的不均匀热变形是高功率激光技术中的关键技术。

由于激光器同轴非稳腔输出窗口的凸镜被环形强激光包围，对凸镜的主动冷却非常困难。对于这种暴露在通光口径之中的腔镜冷却问题目前主要有三种技术途径：自然冷却方式；对镜面进行主动吹风冷却；采用相变制冷方式对镜面进行冷却。

自然冷却方式采用将环形输出光中央的凸镜与外部散热片相连，通过散热片间空气的对流来冷却凸镜。该方法简单易行，不需要额外的冷却器件，但换热效果有限，仅适用于功率不大的激光器。

主动吹风方式一般通过气体压差的方式将冷却气体吹反射镜的表面，带走反射镜表面的热量，达到冷却的目的。耿玉民等人设计了一种在高功率气体激光器密封循环气体内的吹风装置，将冷却了的放电工作介质吹向反射镜或输出窗口的薄膜表面，以达到镜面冷却的目的(中国专利申请号：200810051545.X)，该方法可用于高功率TEA CO₂激光器。另外一种辅助气体冷却方式是通过辅助气体管路将冷却气体沿透镜座切向方向导入透镜表面，在透镜表面形成涡流，达到对透镜中心冷却的目的(中国专利申请号91233062.7)。一般的主动吹风方式的冷却气体采用室温大气或为气体配备专用冷却系统，室温大气的冷却效果不太理想，而对气体冷却则需要添加专用的冷却系统，管道连接也相对复杂。

1991年，美国技术公司的John Bluege和Lake Park等人发明了“固-液相变冷却镜”(US5076348)。该发明采用了超薄镜结构，但基体材料不是铜，而是光学加工性能优良的硅；也采用了主动冷却技术，但不需附加冷却系统，仅仅依靠储存于镜腔内相变材料的相变吸热过程达到冷却目的。他们研制的相变致冷硅镜，镜体尺寸为100mm×100mm，镜面厚度仅1.5mm，当镜面反射率为99.9％时，在1MW强激光辐射下，镜面热变形量为0.05μm，一次连续工作时间可达47s，基本上能满足百万瓦级氧碘化学激光器对全反腔镜的技术要求。程祖海等人也相继发明了“相变致冷超薄多层镜”，“相变致冷窗口”(中国发明专利ZL95124931.2，ZL98109199.X)，其原理都是采用物质相变吸热而降低镜面和窗口的温升。通常相变物质采用相变点在25～30℃的物质，如石蜡、金属稼等。该类镜子在强激光作用下已显示出如下问题：相变物质的温度是一定的，难以适应多变的环境气温；相变物质的导热不够快，当紧挨镜体固体基体边沿的相变物质熔化后，离基体较远的相变物质熔化较慢，难以满足高功率激光特别是脉宽越来越窄的高功率脉冲激光的要求；为了存储相变物质，通常是在基体材料内激光辐照的背面打孔或者切槽来实现，由于加工工艺的限制，相变物质的存量有限，无法满足越来越高的激光功率和越来越长的激光作用时间。