西北大学学报（自然科学版） ２０１３年６月，第４３卷第３期，Ｊｕｎ．，２０１３，Ｖｏ１．４３，Ｎｏ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） 丛 ＲＦ激励全金属ＣＯ２波导激光器散热系统的设计 刘玉华 （佛山科学技术学院物理学系，广东佛山５２８０００） 摘要：探索提高ＲＦ激励全金属Ｃ０ 波导激光器性能稳定，用于批量制造的最佳结构设计和一体化 的内外散热系统。研究结果表明，可有效地将工作气体产生的热量快速传导出腔外，降低和稳定工 作气体的温度，提高了激光器输出功率和稳定性，从而解决了激光器件产品化问题，特别是内循环 水冷系统的设计大大提高了输出功率和工作性能。 关键词：内循环水冷系统；稳定性；一体化 中图分类号：ＴＮ２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—２７４Ｘ（２０１３）０３－０４００－０３ Ｄｅｖｉｓｉｎｇ ｏｆ ａｎ Ｉｎｎｅｒ Ｈｙｄｒｏ－－Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＲＦ－－ｅｘｃｉｔｅｄ ｔｈｅ ａｌｌ ｍｅｔａｌ ＣＯ２ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｌａｓｅｒ ＬＩＵ Ｙｕ—ｈｕａ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｆｏｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｏｓｈａｎ ５２８０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ＲＦ－ｅｘｃｉｔｅｄ ｆｕｌｌ—ｍｅｔａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ｓｔａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｕｓｅｄ ｔｏ ｂａｔｃｈ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｐｔｉｍｕｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｌ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ ｃａｎ ｂｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｒａｐｉｄｌｙ ｔｏ ｏｕｔｓｉｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｓｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｓ ｓｏｌｖｅｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｗａｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｎａｌ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ 目前，国内市场的中小功率射频激励波导ＣＯ 激光器仍然以进口为主，少数几家公司也进行了产 品的研发，但都存在激光输出不稳定，光电转换效率 新型器件整体设计 我们设计的新型结构，包括激光腔体、设置在激 光腔体内的电感、连接在电感下面的金属板上电极、 连接在金属板上电极下面的金属板，连接在金属板 下面的下电极。金属板包括两块以上的子金属板， 在子金属板间设置有放电区。激光腔体容腔内的除 电感、金属板上电极、金属板、金属板下电极、放电区 不高，结构较为复杂等问题。我们根据目前工业制 造技术，对器件结构进行了优化设计，并通过设计一 体化的内外散热系统，达到了降低工作气体温度，提 高激光输出稳定性和光电转换效率的目的。此设计 制造成本较低，加工方便，适合批量生产，并有望替 代同类进口产品，已获得国家实用新型专利。 外的部分为密闭的储气室。储气室内是能放电发出 激光的气体。其特别之处在于在储气室的外侧的上 下４个角的激光腔体的腔壁内设置有循环水冷却通 收稿日期：２０１２－１２－０１ 基金项目：广东省自然科学基金资助项目（９１５１０２２００２０００００９）；佛山市科技发展专项基金资助项目（２００９０１０） 作者简介：刘玉华，女，陕西西安人，佛山科学技术学院副教授，从事新型气体激光器件的研制研究。 第３期 刘玉华：ＲＦ激励全金属ＣＯ：波导激光器散热系统的设计 一４０１一 道，在激光腔体的外侧壁上设置有散热翼片。工作 时，一是将激光工作气体的一部分热量通过散热片 直接散发出去；二是通过激光器的内部水冷循环系 统，有效地将工作气体产生的热量快速吸收、传导并 散发出去，达到很高的散热效果，降低和稳定了工作 光器一般都采用风冷或在谐振腔外镶嵌铜管水冷的 方式进行激光器工作物质的散热和冷却，由于铜管 不能与金属腔体良好的接触，并且接触面积较小，所 以会产生一定的热阻，导热散热和冷却的效果并不 理想，以致于对激光器件的工作性能和寿命产生了 较大的影响。 气体温度，改善了激光器的工作特性，增大和稳定了 激光器的输出功率和工作性能。 图１激光器剖面结构不意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｌａｓｅｒ 图１中：激光腔体２；设置在激光腔体２内的电 感３；连接在电感３下面的金属板上电极４；连接在 金属板上电极４下面的金属板７；连接在金属板７ 下面的金属板下电极５。金属板７包括两块以上的 子金属板７ａ，在子金属板７ａ间设置有放电区６；激 光腔体２容腔内的除电感３；金属板上电极４；金属 板７；金属板下电极５；放电区６外的部分为密闭的 储气室８；储气室８内是能放电发出激光的气体。 其特别之处在于在储气室８的外侧的上下角８ａ的 激光腔体２的腔壁２ａ内设置有带有进口１ａ、出口 １ｂ的循环水冷却通道１，在激光腔体２的外侧壁上 设置有散热翼片９。 ２外散热系统的设计 激光器的散热系统对于提高激光器能量转换效 率有很大的影响，在激光器件运转过程中，如果可以 及时地排除工作气体产生的热量，就可以迅速地使 工作气体的温度保持稳定，从而获得高效的ＲＦ电 光转换效率，提高激光和稳定激光输出功率。 我们知道，排除工作气体的热量有两种方 式…。目前，国内外中小功率ＲＦ激励波导ＣＯ 激 我们通过设计一体化的外散热系统，即在激光 腔体的外侧壁上设置散热翼片，如图１所示。不仅 使工作气体的温度迅速降低，而且提高了ＲＦ电光 转换效率，提高了激光输出的稳定性和功率 Ｊ。由 于激光器腔体是采用金属挤压成型一次完成，如图 １中９，为激光腔体外散热片，在激光器运转过程中 内循环系统通过冷水循环迅速地先将工作气体散发 出的热量传递到金属外壁上，然后直接通过我们设 计的外散热片，将热量迅速传递出去，不需要外部设 置风冷系统。 ３ 内散热系统的设计 激光器的内散热系统，是提高激光器输出功率 和稳定性的重要保证。如何使工作气体产生的热量 迅速传出腔体外，对于降低激光工作气体的温度，提 高激光器的稳定性和激光输出功率有重要的作用。 我们根据目前的工业制造技术，设计了一体化的内 散热水冷循环系统，如图２所示，由于内循环水冷却 通道设计在储气室的外侧的上下４个角的激光腔体 的腔壁内，与在激光腔体的外侧壁上设置有散热翼 片是一体的，故可将工作气体的热量通过内循环水 冷通道直接迅速地传导到外散热翼片上，进而传至 激光器外部，达到稳定工作气体温度的效果。 一 、，＼ 图２ 内循环水冷通道示意图 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｉｒｅｕｌａｔｉｏｎ ｗａｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ 内循环水冷系统由在储气室的外侧的上下４个 角的激光腔体的４个水冷却循环通道，直接与器件 的技术外壳相连，这样保证了激光器运转时可以及 ．．——４０２－－—— 西北大学学报（自然科学版） 第４３卷 时将工作气体产生的热量迅速传递到外散热片上， 然后直接通过金属外壳传导出腔外去，使激光器迅 光输出功率。 我们设计的３８０ｍｍ ｘ ７２ｍｍ×８８ｍｍ３Ｎ型折叠 式射频激励全金属波导ＣＯ：激光器，由于设计了一 速达到冷却，达到很高的散热效果，增大和稳定了激 光器的输出功率和工作性能。 这样，通过内循环水冷却系统直接将工作物质 产生的热量传导到外散热翼片的内外散热系统的有 效结合，高效地稳定了工作物质的温度，提高和稳定 了激光输出功率，获得高品质的激光输出。 循环水冷却通道１截面呈圆柱形，相应的储气 体化的内外散热系统，不仅结构紧凑、器件的散热效 果好，而且提高了器件的品质，便于产品化生产。初 步实验研究已获得波长为１０．６ｍ，功率大于３８Ｗ的 基模激光输出，稳定性大于３％／ｈ，光电转换效率为 １２．７％ 室８的外侧的上下角８ａ的腔壁２ａ呈圆弧形，带有 循环水冷却通道１、墙体的激光腔体２用金属整体 挤压成型而成，金属采用铝合金或者铜。 参考文献： ［１］ 王又良，吴恒莱，萧明强，等．射频激励ＣＯ 激光器综 述［Ｊ］．激光与红外，２００１，３（１）：１０—１２． 此项研究为该类激光器件的产品化奠定了一定 的基础 。 ］。 ［２］ 刘玉华．实用新型射频激励金属波导ＣＯ 激光器的研 制［Ｊ］．西北大学学报：自然科学版，２０１１，４１（３）： ４１５－４１７． ４ 结语 ［３］ 田兆硕，王鹏华，慕金龙，等．射频激励“ｚ”折叠部分 波导ＣＯ：激光器研究［Ｊ］．激光与红外，２００３（５）： ９４２．９４３． 本实用新型与已有技术相比，由于采用了在储 ［４］ 刘玉华．提高ＲＦ激励波导ＣＯ 激光器特性的新型结 构研究［Ｊ］．西北大学学报：自然科学版，２０１１，４１ （１）：３０—３２． 气室的外侧的上下角的激光腔体的腔壁内设置循环 水冷却通道，因此具有能够有效地将工作气体产生 的热量快速传导出腔外，从而稳定了激光工作气体 的温度，提高了ＲＦ电光转换效率，稳定和提高了激 （编辑姚远） （上接第３９２页） 个标准的光纤布拉格光栅和一短截细芯光纤相熔 接。传感结构对微弯或振动表现出高灵敏度，通过 测量输出功率的响应有效避免了温度的影响。因此 ［５］ＭＩＡＯ Ｙｉｎ—ｐｉｎｇ，ＬＩＵ Ｂｏ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ－ｈｕａ，ｅｔ ａ１．Ｄｙ一 ｎａｍｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｉｎｔｅＩＴ。ｇａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｉｔｈ ｔｉｈｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｍｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］・ 具有极其广泛的应用前景。 ＥＥＥ Ｐｈ咖“ｉ ｓ 。ｈ“。 。ｇＹ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００８，２０（１６）： ｌ３９３一ｌ３９５． 参考文献： ［１］ＫＥＲＳＥＹ Ａ Ｄ，ＤＡＶＩＳ Ｍ Ａ，ＰＡＴＲＩＣＫ Ｈ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｊ０－ ｓｅｐｈ ｆｒｉｅｂｅ１ｅ，ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓ。ｒｓ Ｅ Ｊ］・Ｊｏｕｍａｌ。ｆＬｉｇｈ卜 ｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎ。ｌｏｇｙ，１９９７，１５（８）：１４４２－１４６０・ ［６］ＺＨＯＵ Ｂｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ａ－Ｐｉｎｇ，ＨＥ Ｓａｉ＿ｌｉ％ｅｔ ａ１．Ｃｌａｄ— ｄｉｎｇ—Ｍｏｄｅ—Ｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇ—Ｂａｓｅｄ ｔｉｌｔｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ａ ＣｏｒｅＤｉａｍｅｔｅｒ＿Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ ｆｉｂｅｒ ｓｅｃｔｉ。ｎ －ＥＪ１．ＩＥＥＥ，Ｐｈ。ｔ。ｎ Ｊ，２０１０。２（２）：１５２—１５７． ，『７］ＧＵＯ Ｔｕａｎ—ＶＡＭＰＶ Ａ，ＣＨＥＮ Ｃｈｅｎｇ－ｋｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｍ． ［２］ＴＯＤＤ Ｍ Ｄ，ＪＯＨＮＳＯＮ Ｇ Ａ，ＡＩＪＴＨ０ｕｓＥ Ｂ Ａ， ａ１． Ｆｌｅｘｕｒａｌ ｂｅａｍ。ｂａｓｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ａｃｃｅ１ｅｍｍ 。玛 ｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｔｉｈｅｄ ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓ。ｒ ａｓｅｄ ｏｎ ｃｌａｄｄｉｎｇ—ｃ。ｒｅ ｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ瑙， ２００８３８（９）：１００４。１００６． ［８］ＺＨＡＮＧ Ａｐｉｎｇ，ＴＡＯ Ｘｉａ。．ｍｉｎｇ，ＣＨＵＮＧ Ｗｅｎｇ－ｈｏｎｇ， ，－ｂ［Ｊ］・ＩＥＥＥ Ｐｈ。ｔ０ｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９８，１０ （１１）：１６０５－１６０７・ ［３］ＺＨＯＵ Ｗｅｎ－ｊｕｎ，Ｄ０ＮＧ Ｘｉｎ—ｙｏｎｇ Ｎ Ｋ，ｅｔ ａｌ・Ｔｅ ｐｅｒａ‘ ｕｒｅ讪ｓｅ㈣ Ｖｅ ａｃｃｅ ｅｒ０ｍｅ ｅｒｂａｓｅｄ ０ｎ ａ ｓ ｍ ｎ—ｃｈ ｒｐｅ０ ｅｔ ａ１Ｃｌａｄｄｉｎｇ－ｍ０ｄｅ＿ａｓｓ１・ｓｔｅｄ ｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｓ ｉｎ ｃ。ｎｃａｔｅｎａｔｅｄ ．ｌＦＢＧ［Ｊ］・Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ，２０１０，１５７：１５－１ ８． ｏｎｇ－ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］． Ｏｐｔｉｃ Ｌｅｔｔ， ２００２２７（４）：１２４１．１２１６． ，［４］ＣＨＥＮ Ｃ，ＡＬＢＥＲＴ Ｊ・ｓｔｍｉ“一。Ｐ ｉ 。。ｅｆｆｉ。ｉ。“ ｏｆ ｉ“ｄｉ ｉｄ‘ ｕａｌ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅ ｆｉｂｒｅ：ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｅｘｐｅｒ－ （编辑曹大刚） ｉｍｅｎｔ『Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００６，４２：１０２７—１０２８．
