一种非线性晶体温度控制装置 【技术领域】
本发明属于温度控制技术，具体涉及一种新型非线性晶体温度控制装置。
背景技术
随着激光器频率变换技术的快速发展，高稳定性、高转换效率、高光束质量的光源成为非线性激光技术发展的主要方向。其中高效、高精度的非线性晶体温度控制装置成为实现上述目标的核心器件之一。对于非线性晶体材料，为了达到相位匹配的条件，对温度控制器的精度和稳定度要求较高。一般要求温度的精度在±0.1度的范围内波动。
目前针对非线性晶体材料的温度控制装置主要分为两大类：一是通过紫铜夹具和高精度的水箱来实现；另外一种方案是采用紫铜夹具和高精度TEC温度控制仪器来实现。上述两种方案均能达到精度±0.1度的温度控制要求。但是这两种方案都是通过外界温度控制装置(高精度水箱、高精度TEC温度控制仪，控制精度均在±0.1度的范围内)的高精度运行来实现的，器件成本和技术门槛较高。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种非线性晶体温度控制装置，该装置可以使温度控制精度达到非线性晶体最佳运行的要求。
本发明提供的非线性晶体温度控制装置，其特征在于：相变材料夹层为筒壁内填充有相变材料的中空筒体；非线性晶体材料包裹在相变材料夹层的中空筒体内；温度控制器放置在相变材料夹层的外围，对相变材料夹层进行温度控制。
该装置主要利用相变储能材料(PCM)在相变点具有巨大相变潜热的特点，通过适当的选取和匹配，使相变温度与非线性晶体(磷酸氧钛钾、偏硼酸钡、三硼酸锂、磷酸二氢钾、硼酸锂铯等)的相位匹配温度相匹配，结合普通的温度控制器(控制精度±2度)，达到了非线性晶体高效、高精度、高稳定度的温度控制要求，保证了激光高效、稳定的输出。具体而言，本发明的优点在于：
(1)利用相变储能材料在相变点巨大潜热的特点，通过相应夹具的设计实现了相变点高效的温度控制，保证非线性晶体(磷酸氧钛钾、偏硼酸钡、三硼酸锂、磷酸二氢钾、硼酸锂铯等)在最佳相位匹配条件下的运行，提高输出激光的稳定性。
(2)采用相变储能材料作为实现高精度温度控制的核心物质，克服传统非线性晶体温度控制装置对外部温度控制器温度控制精度要求过高、控制技术难、器件成本高的弊端，实现了高效的温度控制。
(3)通过相变材料一定比例的配合和相变储能器的设计，实现了常用非线性晶体(磷酸氧钛钾、偏硼酸钡、三硼酸锂、磷酸二氢钾、硼酸锂铯等)的高效温度控制。同时该器件还具有结构简单、可靠性高、能耗小等优点。
【附图说明】
图1为本发明非线性晶体温度控制装置的剖面主视图；
图2为相变材料夹层结构的剖面图示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的非线性晶体温度控制装置包括相变材料夹层1、非线性晶体材料2、非线性晶体夹具3、温度控制器4等部件。
如图2所示，相变材料夹层1的结构为：侧面支架5和端面封盖6围成筒壁为双层的中空筒体，筒的形状不限，可以是圆柱形或方形等。在筒体夹层内部填充有相变材料7，可以全部填充满；也可以放入网状的金属骨架(肋或者筋)或分散放置一些石墨粉末后再填充相变材料，提高相变储能材料的导热能力。
相变材料夹层1中，侧面支架5可以采用紫铜或高导热金属材料制成。一方面将晶体内部的热量通过侧壁传导给相变材料，稳定晶体内部的温度；另一方面阻止外界温度的波动对晶体的影响，提高相变储能材料的控温能力。端面封盖6可以由聚乙烯或导热率较低的材料制成，阻止外界控温仪温度的波动通过该路径传导给晶体，而带来的温度的波动，提高系统的温度控制能力。
相变材料7作为本发明装置的核心控温材料，主要利用相变储能材料本身在相变点具有较大相变潜热的能力，一方面来吸收非线性晶体材料2内部释放出的残余热量，抑制外界温度控制器3的温度波动；另一方面维持晶体内部温度的恒定，并将多余的热量传导给外界温度控制器4。相变材料的选取必须满足其相变点的温度与非线性晶体运行的最佳相位温度相匹配，可以是一种相变材料也可以是多种不同相变材料按照一定比例的混物。例如十七烷的相变温度与室温切割的磷酸氧钛钾(KTP)和三硼酸锂(LBO)晶体的最佳相位匹配温度相匹配，镓或十八烷的相变温度为28.4度可以与相应温度下切割角的非线性晶体相匹配。以保证相变材料具有较大相变潜热的同时，具有较高的热导率。常见的用于非线性晶体温度控制的相变材料如表1所示，本发明所使用的相变材料可以是表中所列举的材料中的任一种或几种的混合物。
非线性晶体材料2固定在相变材料夹层1中间。非线性晶体材料2为非线性频率转换过程中常用的晶体材料，可以为磷酸氧钛钾、偏硼酸钡、三硼酸锂、磷酸二氢钾、硼酸锂铯等。该材料在稳定运行时，需要较高温度精度来保证相位匹配角的不变，从而实现高效、稳定的激光输出。
由于非线性晶体材料2通常为方形，为便于固定，一般采用非线性晶体夹具3将其固定在相变材料夹层1中间。非线性晶体夹具3采用导热率较高的紫铜材料制成，通过铟膜、导热胶或直接接触等方法，完成非线性晶体材料的夹持。高的导热率有利于将非线性晶体内部产生的废热快速的传导出去，也便于将外界相变储能材料的热量引入到晶体内部，达到维持恒温的目的。
温度控制器4对相变材料夹层1进行温度控制。温度控制器4为普通温度控制仪，可以采用一般温度控制精度低的普通的水箱或低精度TEC温度控制仪等器件。该装置主要是为相变材料的正常运行提供了一个温度环境，虽然温度波动比较大(±2度)，但是能够达到在低于相变温度时，带走相变材料内部热量，高于相变温度时，注入给相变材料热量得目的。
该非线性晶体温度控制装置的工作原理如下：根据所夹持的非线性晶体的类型，选择相应相变温度点的相变材料或几种不同相变材料的混合物放置在相变材料夹层中，并将夹持非线性晶体材料的夹具安装在相变材料中间。通过外部温度控制器的运行，使之达到相变温度点附近，由于相变储能材料在相变点具有较大的相变潜热，能吸收或释放较多的热量，使得晶体内部所产生多余的热量通过：非线性晶体→相变材料夹层→温度控制器的路径将热量导出，保持晶体恒温的运行；另一方面将多余的热量释放给外界控温仪，并阻碍外界控温仪较大波动对晶体本身温度稳定性的影响，达到维持非线性晶体材料最佳的运行温度，从而实现高效、高稳定性激光的输出。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
表1、用于非线性晶体温度控制的相变材料