一种100Hz高重频、大能量DPL激光器的制作方法 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术一种100hz高重频、大能量dpl激光器技术领域1.本实用新型涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种100hz高重频、大能量dpl激光器。背景技术：2.目前，传统测距机使用更多的是脉冲氙灯泵浦的固体激光器，发热量大、氙灯寿命短、供电模块体积大，近些年，二极管泵浦脉冲固体激光器（dpl）逐渐成熟，较传统的灯泵激光器有体积小、寿命长、电光效率高等优点，可用于远距离激光测距等。以nd：yag激光增益介质为基础的1.06μm激光器技术成熟、性能稳定，是目前应用最广泛的脉冲固体激光器之一。3.常用的远距离激光测距产品，均采用水冷散热方式对增益介质进行散热，以保证其优良的光斑品质和稳定的能量，其通常的最高输出能量在500mj左右，工作频率小于25hz。随着市场需求的提高，更高频率的大能量激光测距产品成为热门。在整机功耗要求苛刻的条件下，采用的散热元件不能继续增加温控电流，因此想要更高工作频率的激光输出，则需要对散热元件进行水冷散热。4.根据查询到的文献资料和调研表明，目前应用于远程测距的产品中，用于中远程测距的全固态dpl的单脉冲能量在100mj～150mj，最高工作频率≤20hz。5.某装备光电系统配备的脉冲dpl，波长1.06μm，单脉冲能量300mj，由于其采用了强对流风冷散热，其最高工作频率达到了25hz，但其结构采用风冷散热，继续增加泵浦注入，增益介质会产生很大的热透镜效应，进而导致光斑质量和稳定性瞬时下降。技术实现要素：6.本实用新型的目的是提供一种100hz高重频、大能量dpl激光器，能够用于远程测距，且输出能量大、重频高、结构紧凑小巧。7.本实用新型采用的技术方案为：8.一种100hz高重频、大能量dpl激光器，包括分层设置的本振结构、二级放大结构、三级放大结构和配合上述结构设置的光路折返装置、一体化循环水冷装置、温控调整系统；其中所述的脉冲信号发生机构和本振结构设置在上层，二级放大结构和三级放大结构设置在下层，所述的本振结构包括信号发生结构和谐振结构，信号发生结构的输出端与谐振结构的输入端连接，所述的谐振结构包括激光谐振腔、ld泵浦源、散热铝块、玻璃管、全反镜、输出镜、偏振和调q开关，所述的增益介质设置在玻璃管内，玻璃管外包覆设置泵浦源，泵浦源外包覆设置有散热铝块，所述的信号发生结构为散热铝块构成的发射腔，发射腔的里端部设置输出镜和全返镜，发射腔内放置泵浦源；9.激光谐振腔的的出光口与二级放大结构的进光口通过光路折返装置相连通，所述的一体化循环水冷装置包括设置在各个结构中的水冷管道、用于连接各个结构间水冷管道的连接管道、用于连接上下层间水冷管道的穿层液冷导流管道、泵和冷却器，所述的水冷管道设置在各个结构的散热铝块内，同一层设置的两个结构之间的不同散热铝块的进水口和出水口通过连接管道固定连接，不同层设置的两个结构之间的不同散热铝块的进水口和出水口通过穿层液冷导流管道连接使水冷管道中的冷却液能够依次流过设置在信号发生结构、谐振结构、二级放大结构和三级放大结构中每个散热铝块内两侧设置的水冷管道。10.所述的温度调控系统包括tec冷却器和ld温控电路，所述的tec冷却器与散热体与泵浦源物理接触设置。11.所述的二级放大结构和三级放大结构均为由外到内依次包覆设置的散热铝块、泵浦源、玻璃管道和增益介质构成。12.所述的信号发生机构采用yag激光晶体，13.采用主动调q方式，输出1.06μm脉冲激光。14.所述的连接管道包括管道本体，管道本体的两端口沿轴向垂直的方向延伸设置有固定部，所述的固定部上设置有多个固定孔。15.所述的固定孔为长条腰孔。16.还包括有环形密封垫，所述的环形密封垫配合固定部密封设置。17.水泵采用紧凑型磁力驱动齿轮泵。18.本实用新型通过采用两路谐振腔交替工作，单路工作在50hz，通过程序控制交替输出，放大级采用两级放大，实现1064nm波段激光100hz工作模式，同时通过上下分层式设置，搭配全水冷一体化散热的设计，使激光器在-40℃～+65℃的全温度范围内，输出能量大于500mj，峰值功率50mw，输出波长1064nm，单脉冲能量500mj，连续工作1min，单脉冲工作模式下重复频率100hz，能够应用于远程测距系统，性能通过实验对比，是已知市场产品的四倍。附图说明19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。20.图1为本实用新型的原理示意图；21.图2为本实用新型所述一体化循环水冷装置的结构示意图。具体实施方式22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。23.如图1和2所示，本实用新型包括分层设置的本振结构、二级放大结构、三级放大结构和配合上述结构设置的光路折返装置、一体化循环水冷装置、温控调整系统；其中所述的脉冲信号发生机构和本振结构设置在上层，二级放大结构和三级放大结构设置在下层，所述的本振结构包括信号发生结构和谐振结构，信号发生结构的输出端与谐振结构的输入端连接，所述的谐振结构包括激光谐振腔、ld泵浦源、散热铝块、玻璃管、全反镜、输出镜、偏振和调q开关，所述的增益介质设置在玻璃管内，玻璃管外包覆设置泵浦源，泵浦源外包覆设置有散热铝块，所述的信号发生结构为散热铝块构成的发射腔，发射腔的里端部设置全反镜和输出镜。24.激光本振结构的出光口与二级放大结构的进光口通过光路折返装置相连通，所述的一体化循环水冷装置包括设置在各个结构中的水冷管道、用于连接各个结构间水冷管道的连接管道1、用于连接上下层间水冷管道的穿层液冷导流管道4、泵和冷却器，所述的水冷管道设置在各个结构的散热铝块3内，同一层设置的两个结构之间的不同散热铝块3的进出水口2通过连接管道固定连接，不同层设置的两个结构之间的不同散热铝块3的进水口和出水口通过穿层液冷导流管道4连接使水冷管道中的冷却液能够依次流过设置在信号发生结构、谐振结构、二级放大结构和三级放大结构中每个散热铝块3内两侧设置的水冷管道；实际使用时可以根据需求进行冷却水管的灵活组合连接，只要能够实现每个散热铝块内的水冷管道均循环冷却液进行冷却即可，通过泵的启停控制和冷却器的温度控制，从而可以实现激光谐振腔的工作温度保持在稳定的范围内。25.本技术通过光学镀膜高反镜实现光路折返，所述的光路折返即光腔内设置两个45°的折返镜以实现光路180°折返，能够缩短设备长度，实现设备紧凑化、小型化。26.所述的温度调控系统包括半导体制冷器（tec）和ld温控电路，通过紫铜导热副底板将泵浦发热模块和散热体连接。本技术采用主动调q方式，输出1.06μm脉冲激光，具体的结构和方法都是现有技术在此不再赘述。27.所述的二级放大结构和三级放大结构均为由外到内依次包覆设置的散热铝块、半导体制冷器、泵浦源、玻璃管道和增益介质构成；所述的信号发生机构采用yag激光晶体。28.所述的连接管道包括管道本体，管道本体的两端口沿轴向垂直的方向延伸设置有固定部，所述的固定部上设置有多个固定孔。所述的固定孔为长条腰孔。 采用上述结构可以实现各个结构间冷却管的连接，且通过长条腰孔的设置，实现了微小误差的密封连接，满足由于加工误差带来了接口的小范围不完全对正的问题，通过上述长条腰孔，依然满足固定关系；所述的还包括有环形密封垫，所述的环形密封垫配合固定部密封设置。通过环形密封垫的设置，使固定后的密封性大大提高，满足水冷管道的循环密封。29.同理，所述的穿层液冷导流管道为了满足上下层之间冷却液的循环流动，可以采取与连接管道相同或者类似的起到进出液口密封连通的即可，在此不再一一举例赘述。30.本技术中本振级由增益介质、泵浦源、水冷模块、全反镜、输出镜、偏振、调q等共同组成，本振级以单模块50hz交替输出160mj~180mj的激光，经过两级放大获得500mj的大能量激光输出。31.实际使用时，在tec的作用下，通过综合控制，设定ld的最佳工作点是60℃，环境温度55℃，首先通过tec加热模式在半分钟内让ld从55℃上升到60℃，发射激光，tec停止工作，ld开始发热，通过程序控制，当ld温度达到62℃，tec开始工作在制冷模式，持续为ld降温。tec将热量排出到散热片，散热片（即散热铝块）通过水流将热量带入到水箱。温度降到58℃tec停止工作。如此反复，实现ld高频工作状态下，其温度保持在60±2℃。32.现有技术中，由于nd3+对泵浦光最强的吸收峰在0.808μm附近，此时可达到最高泵浦效率，而ld具有波长温漂特性，即发射光谱的中心波长随温度变化产生漂移，这是输出能量漂移的主要影响因素。低频工作条件下，tec的制冷功率可以保证ld工作在最佳温控点，但是当dpl激光器高频工作的时候，泵浦源的热量不能及时排出，tec两侧温差越来越小，制冷效率越来越低，恶性循环，导致温控失效。因此dpl激光器高重频工作需要解决的另一个主要问题是ld的散热。33.本技术通过设置初始状态环境温度和水箱温度均为55℃，ld发热功率42w，在温差4℃（62℃降至58℃）的时候，制冷功率大约是50w，大于发热功率42w，因此可实现ld废热源源不断的导出。达到稳态的时候ld局部最高温度60.2℃。搭配2l的水箱，即可实现性能优越的散热能力，并且水箱水泵与激光器设计在一起，结构紧凑，满足装备研发的小型化需求。34.在1min钟工作条件下，水箱起始温度55℃，稳态温度59.9℃，通过水的热容计算可知：35.q=cmδt=cm(t-t0)36.q是吸收的热量，c是物质的比热，m是物质的质量，t指末温，t0指初温。假设1min内水箱能够全部吸收42w的热量，及q=pt=42w×60=2520j，水的比热c=4.2×103j/(kg·k)，可得m=240g，及需要至少240g的水能把单模块42w的废热收集起来。该设计需要八个模块（即八个散热铝块），因此大约需要2kg的冷却水。水泵采用紧凑型磁力驱动齿轮泵，采用直流电机定子上的电磁旋转磁场，直接驱动磁力齿轮泵的内转子，从而带动齿轮泵工作。其结构紧凑，减少了部分运动件，广泛用于仓内空间狭窄的场合。37.本实用新型通过全水冷散热机制和本振级交替工作，以及两级放大，将应用于远距离测距的1.06μm脉冲dpl激光器的工作频率提高到100hz，大能量、高重频的输出对热处理提出了很高要求，因此该设计采用全水冷结构，针对泵浦源采取水冷散热+tec温控技术，针对增益介质通过玻璃管通水，对激光发射模块进行了全方位的热管理，全温度范围（-40℃~65℃）内可工作，实现大能量、三脉冲激光输出，适用于近百公里测距系统。38.通过无风机全水冷结构，实现-40℃～+65℃的全温度范围内工作，能量500mj，100hz条件下持续工作1min的大能量、高重频激光输出，实现了100hz大能量、可用于远距离测距的全固态二极管泵浦脉冲激光器。39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“ꢀ中心”，“ꢀ横向”、“ꢀ纵40.向”、“ꢀ长度”、“ꢀ宽度”、“ꢀ厚度”、“ꢀ上”、“ꢀ下”、“ꢀ前”、“ꢀ后”、“ꢀ左”、“ꢀ右”、 竖直”、“ꢀ水平”、“ꢀ顶”、“ꢀ底”、“ꢀ内”、“ꢀ外”、“ꢀ顺时针”、“ꢀ逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。41.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书中的术语“ꢀ包括”和“ꢀ具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。42.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行较详细的说明，但本实用新型不限于这里所述的特定实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等有效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。









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