[发明专利]基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于激光器的热管理领域，涉及紧凑化的大功率固态激光器的热管理技术，尤其涉及基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置及方法。

背景技术

近年来，随着二极管激光器（LD）的研究成果逐渐转为实际应用及其商业化大规模生产，二极管激光器的可靠性和性价比均得到了大幅提高。由于二极管激光器具有结构紧凑、电效率高及可模块化等诸多有利于系统集成的优点，二极管激光器已成为多种高能激光器系统如光纤激光器、光泵固体激光器、二极管泵浦碱金属蒸气激光器等的优选泵浦源。

目前，泵浦激光二极管阵列的电-光转换效率虽然达到约50%，但仍有大量的废热需要处理和散掉以便于维持系统的后续正常运转。例如，以稀土掺杂光纤作为激光介质的光纤激光器，每一种介质对应有一个比较高的吸收峰（对应高的量子效率），因此，要求泵浦光具有相应的光谱范围，一个976nm泵浦产生1080nm激光的光纤激光器，其吸收峰位于976±3nm，而某型号的泵浦LD阵列的中心波长温度系数为0.32nm/℃。维持泵浦源的恒定工作温度对系统的总体效率有着至关重要的意义，也就是说，需要一个高效的热管理系统来保证二极管激光器的稳定工作，从而保证整个激光器系统的高效、稳定工作。

现有的工业激光系统如业界龙头企业IPG photonics等生产的千瓦级以上光纤激光器一般采用水冷系统，在热流密度相对较低且对系统的机动性要求不高时，水冷散热系统是比较实用的解决方案。但是，当热流密度相对较高，如热流密度超过20W/cm²，且又有较高的温度均匀性（1℃以内）时，液体冷却（如水冷）技术已无优势，当热流密度超过25W/cm²，且对系统的机动性要求高时，液体冷却散热在功耗、重量等方面已不具备优势，水冷系统已经凸显不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单可靠、紧凑度高、控温准确、且运行稳定的基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置，还相应提供一种简单易行、效率高、对环境友好的基于喷雾汽化的大功率激光器热管理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置，所述大功率激光器上设有一激光器热沉，所述热管理装置包括一装设于所述激光器热沉上的高压喷雾室，所述高压喷雾室内设有用于将液体制冷剂转化为雾状液滴制冷剂并喷射于所述激光器热沉上的喷雾嘴阵列和一气压传感器；所述高压喷雾室与用于向所述喷雾嘴阵列提供所述液体制冷剂的过渡室相邻，所述过渡室通过一高压电动泵与用于储存所述液体制冷剂的高压储液罐相连，所述高压电动泵与所述高压储液罐之间的连接管道上设有第一单向阀；所述高压喷雾室的底部设有一雾液回聚区，所述雾液回聚区内设有一液位传感器，所述雾液回聚区通过所述高压电动泵与所述过渡室相连，所述雾液回聚区与所述高压电动泵之间的连接管道上设有第二单向阀；所述高压喷雾室还与一排气管相连，所述排气管上设有用于使所述高压喷雾室内压力维持在一恒定压力值的泄压阀。

上述的热管理装置中，所述喷雾嘴阵列由薄金属盘片叠加并通过扩散焊制成，所述喷雾嘴阵列上的喷孔直径优选0.1mm～0.3mm。

上述的热管理装置中，所述薄金属盘片的厚度优选0.01mm～0.1mm。

上述的热管理装置中，所述高压电动泵与所述过渡室之间设有一过滤器。

上述的热管理装置中，所述泄压阀优选机械式泄压阀或电磁式泄压阀，机械式泄压阀通过阀内压缩弹簧控制，电磁式泄压阀通过压力测量反馈控制。

上述的热管理方法中，所述高压电动泵的增压动力优选40～60个大气压。

上述的热管理装置中，所述排气管的输出端置于一吸收水桶内，并与所述吸收水桶内设置的多孔气罩相连。

作为一个总的技术思路，本发明还提供了一种利用上述热管理装置实现的基于喷雾汽化的大功率激光器热管理方法，包括以下步骤：