無tec恒溫小型風冷重頻dpl激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工作于高低溫環(huán)境的無TEC恒溫小型風冷重頻DPL激光器
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全固態(tài)激光器向超高功率發(fā)展的技術(shù)進步，核心元器件的總功率大幅度增長而物理尺寸卻要求小型化，熱流密度也隨之增加，要求對其進行更加有效的熱控制；工作物質(zhì)的熱效應(yīng)也限制了固體激光器向更高功率方向發(fā)展，對工作物質(zhì)進行有效的熱控制一直是關(guān)注的焦點。全固態(tài)激光器DPL(激光二極管栗浦固態(tài)激光器)由于具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、工作壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠等一系列傳統(tǒng)燈栗浦固體激光器無法比擬的優(yōu)點，近年來發(fā)展極為迅速，已成為固體激光器發(fā)展的主流。并廣泛的應(yīng)用于工業(yè)加工、彩色印刷、顯示和醫(yī)療、通訊、軍事等眾多領(lǐng)域。就全固態(tài)激光系統(tǒng)而言，熱管理的范圍主要包括栗浦源、激光工作介質(zhì)，驅(qū)動源、附屬元件(如諧波發(fā)生器)等的熱管理.激光工作介質(zhì)的熱管理問題主要表現(xiàn)在工作物質(zhì)在栗浦過程的熱效應(yīng)問題:栗浦源向固體激光介質(zhì)提供產(chǎn)生激光所需能量的同時，在介質(zhì)中造成無用熱。為了持續(xù)工作，必須及時從激光介質(zhì)中消除這些無用熱(熱效應(yīng))，即減小“熱效應(yīng)”。這些熱效應(yīng)既限制了激光器的輸出平均功率，同時產(chǎn)生畸變導(dǎo)致激光光束質(zhì)量下降，使輸出激光的能量降低。而對栗浦源的熱管理問題則主要針對激光二極管陣列，它的應(yīng)用極大地提高了固體激光系統(tǒng)的效率，然而，要將工作溫度控制在相對窄的范圍內(nèi)，需要有比較完善的熱控制系統(tǒng)，這一點與閃光燈栗浦激光器是不同的，在端面栗浦系統(tǒng)中，通過溫度來調(diào)諧激光二極管的輸出波長，使之與激光器峰值吸收譜線相匹配；并通過TE致冷器控制陣列的溫度，維持得到的波長，這種方法對于小型激光器很有效，在大系統(tǒng)中，通常就會采用液冷回路來維持半導(dǎo)體激光器不受到環(huán)境溫度的影響。不過制冷效率通常不會超過I，點輸入功率相當于需要控制的熱量，因此，產(chǎn)生大熱量的系統(tǒng)中，輸入的電功率就相當高，同時制冷效率很低，這是很大的一個問題，在技術(shù)上是一個極大的挑戰(zhàn)。
[0003]—般的小型重頻固體二極管栗浦DPL (D1de Pump Laser)固體脈沖激光器，采用半導(dǎo)體二極管激光器作為栗浦源。二極管激光陣列栗浦源波長隨溫度變化而變化，要求的工作溫度范圍寬，從-40 0C?+650C，在此溫度范圍內(nèi)，二極管激光陣列栗浦源的波長變化很大。為了保證栗浦源的波長維持在Nd: YAG晶體的吸收峰808nm內(nèi)，必須對二極管激光陣列栗浦源恒定溫度。普通的二極管激光陣列栗浦源的有效工作溫度范圍很窄，恒定溫度值一般僅是一個溫度點。在這個溫度點上，栗浦源才能穩(wěn)定的發(fā)射808nm波長，否則會大大降低DPL激光器的效率，而不能使用。為避免上述缺陷，現(xiàn)有技術(shù)一般的小型DPL重頻脈沖固體激光器都采用熱電制冷TEC (ThermoElectric Cooler)溫度控制器對二極管激光陣列栗浦源進行恒溫。TEC溫度控制器，也稱半導(dǎo)體制冷片控制器，是一種能夠依據(jù)通過TEC的電流走向來使物體制冷和制熱的半導(dǎo)體裝置。TEC溫度控制器電子模塊。雖然可以精確地調(diào)整物體的溫度、穩(wěn)定性可靠性高并且尺寸小，可用于激光系統(tǒng)的溫度控制等。但TEC恒溫帶來若干不足之處在于，TEC制冷效率較低，不足40%，其余60%作為廢熱需要帶走，這無疑增加了功耗和散熱的負擔；其次，TEC工作在制冷狀態(tài)時，其熱端產(chǎn)生的熱量必須及時帶走，否則會大大降低TEC的制冷效率；TEC熱端的熱量會瞬間傳到制冷端，導(dǎo)致TEC控溫失效，二極管激光陣列栗浦源溫度漂移，DPL激光器會無激光輸出；溫度過高時，容易損毀DPL激光器，這在小型機載密封吊艙中尤為嚴重。如果加大TEC熱端的散熱體積，會增大整個激光器的體積重量，而不能滿足技術(shù)指標。另外TEC控溫另一個不足之處是，在低溫-40°C時，要求DPL激光器能夠快速啟動發(fā)射激光，因其TEC此時升溫效率較低，一般需要幾分鐘才能達到栗浦源的有效工作溫度，從而才能發(fā)射激光，這就制約了該激光器的應(yīng)用范圍。位于固體激光器激光諧振腔兩端的輸出鏡和全反射鏡，通常安裝在不同的金屬結(jié)構(gòu)面上，在高溫及振動環(huán)境下，金屬結(jié)構(gòu)變形容易導(dǎo)致激光諧振腔的變形，導(dǎo)致它難于在_40°C?+65°C的高低溫以及沖擊、振動環(huán)境下可靠的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在不足之處，提供一種脈沖重復(fù)頻率穩(wěn)定，激光能量輸出大，可靠性高，體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，能在_40°(:?+65°(:高低溫環(huán)境和一定沖擊、振動條件下可靠工作的無TEC恒溫風冷小型重頻Nd:YAG固體脈沖DPL激光器。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，一種無TEC恒溫小型風冷重頻DPL激光器，包括二極管激光陣列栗浦源模塊、安裝在箱體蓋板上，采用+40°C?+70°C寬溫度范圍的二極管激光陣列栗浦源15，安裝于同一鈦合金金屬框體17結(jié)構(gòu)面一端上的輸出鏡1、全反射鏡2和與安裝在鈦合金框體17另一端的四面體三棱鏡9 一起組成的180°折疊諧振腔，其特征在于，安裝在同一鈦金屬框17結(jié)構(gòu)面上的輸出鏡I和全反射鏡2位于180°折疊諧振腔的同一面，同時在鈦合金框體17的另一端，采用一個三面相互垂直的四面體三棱鏡9作為180°光路折疊鏡；二極管激光陣列栗浦源15在低溫至常溫范圍-40°C?+39°C下，由位于風冷散熱片13下面的陶瓷加熱片12快速加熱，當加熱至正常工作溫度范圍時，溫度傳感器16動作控制陶瓷加熱片12停止加熱，當二極管激光陣列栗浦源15溫度高于+70°C時，由位于二極管激光陣列栗浦源熱沉11下方的高速冷卻風機14快速冷卻。
[0006]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。
[0007]本發(fā)明采用了 +40°C?+70°C寬溫度范圍的二極管激光陣列栗浦源15，二極管激光陣列栗浦源15具有寬+40°C?+70°C的工作溫度范圍，且具有高的電光效率。
本發(fā)明用一個高效陶瓷加熱片12替代TEC恒溫器，從而解決了上述若干問題，使這樣的小型風冷DPL固體脈沖激光器，能在-40°C?+65°C環(huán)境下，無TEC恒溫，以20Hz?30Hz脈沖重復(fù)頻率穩(wěn)定可靠的工作，激光輸出能量100-150mJ，激光束散小、光束質(zhì)量高且激光器體積小，能適于多種機載或車載激光測距/指示儀。
[0008]本發(fā)明的這種激光器同時解決了體積要求小、輸出能量要求大的問題，能夠滿足車載或機載激光測距機/指示儀對體積重量的要求。
[0009]本發(fā)明中激光諧振腔的輸出鏡I和全反射鏡2位于其諧振腔的同一面，即安裝在同一鈦金屬框17體結(jié)構(gòu)面上，此時，若結(jié)構(gòu)件有高低溫或沖擊振動導(dǎo)致的形變，則輸出鏡1、全反鏡2兩者同時同方向變化，不會影響諧振腔的光路變化，同時在鈦合金框體17的另一端，采用一個三面相互垂直的四面體三棱鏡9作為180°光路折疊鏡，利用其入射光線始終與出射光線平行的原理，保證激光諧振腔的穩(wěn)定可靠。本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)使得該激光器能夠在-40°C?+65°C的高低溫以及沖擊、振動環(huán)境下可靠的工作。
[0010]本發(fā)明由于采用了 +40°C?+70°C寬溫度范圍的二極管激光陣列栗浦源15，用一個高效陶瓷加熱片12替代TEC恒溫器，使這樣的小型風冷DPL固體脈沖激光器，驅(qū)動穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度高、效率高，能在_40°C?+65°C環(huán)境下，無TEC恒溫，以20Hz?30Hz脈沖重復(fù)頻率穩(wěn)定可靠的工作，激光輸出能量100-150mJ，激光束散小、光束質(zhì)