CN102082390A - 太阳光光纤组束泵浦固体激光器 - Google Patents

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王菲
王晓华
房丹
别致
张国玉
姚铁成
路磊
夏冰
王金艳
李广
刘朋飞
杜丽芳
王子强
魏丹
高洋洋
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Abstract

本发明提供了一种太阳光光纤组束泵浦固体激光器。主要包括太阳(1)、收集光学系统(2)、耦合光学系统(3)、光纤(4)、组束器(5)、聚光腔(6)、激光介质(7)、高反射镜(8)、制冷系统(9)及输出耦合镜(10)等组成；其中太阳(1)发出的光被收集光学系统(2)收集汇聚，耦合光学系统(3)将收集光学系统(2)收集的太阳光耦合到光纤(4)中进行传输，多组光纤(4)通过组束器(5)进行组束，将多个组束器(5)输出的太阳光分别耦合到聚光腔(6)中对激光介质(7)进行激励，高反射镜(8)、激光介质(7)及输出镜(10)构成所述的太阳光光纤组束泵浦固体激光器的谐振腔，激光介质(7)由于受激辐射产生的光克服谐振腔损耗后，在高反射镜(8)和输出镜(10)间往返振荡，最后从输出输出镜(10)输出，制冷系统(9)通过液体循环将激光介质(7)、光纤(4)的入射端、组束器(5)的输出端及聚光器(6)产生的废热导出。

Description

太阳光光纤组束泵浦固体激光器
技术领域
本发明专利涉及一种太阳光光纤组束泵浦固体激光器。
背景技术
随着地球人口的增长，能源问题已成为迫切需要解决的焦点问题之一。越来越多的人将解决的关键投注在自然能源上，如太阳能、潮汐能等。太阳光是连续宽光谱光源，其辐射谱中含有许多常用的激光泵浦带，将经大压缩比会聚后具有高能量密度的太阳光耦合到激光介质中，使阳光中有用的泵浦光对激光介质进行泵浦而产生激光输出已成为可能。
在空间中，太阳能资源比地面丰富，太阳能辐射强度几乎不受时间和气候条件的限制，所以该类激光器在卫星激光通信、空间能量无线传输、星载激光武器上都将会有重要应用，还有望用于清除宇宙空间中的碎片、卫星变轨、物质输送用激光推进火箭能源等方面。
自从1966年Young C G首次利用太阳光泵浦固体激光介质实现激光运转以来(C.G.Young.A sun-pumped CW one watt laser.Appl Opt.1966，5(6)：993-997)，太阳光泵浦激光器引起了研究人员的广泛关注，并且已经实现了高达80W的连续激光输出(Tomomasa Ohkubo，et al.Solar-pumped 80 W laser irradiated by a Fresnel lens.Optics Letter.2009，34(2)：175-177)。
由于所采集太阳光能量有限及转换效率低等因素的限制，如何获得更高功率的太阳光泵浦激光器是研究人员面临的一项热门课题。
发明内容
本发明提供了一种太阳光光纤组束泵浦固体激光器。
如附图1所示，本发明的太阳光光纤组束泵浦固体激光器包括太阳1、收集光学系统2、耦合光学系统3、光纤4、组束器5、聚光腔6、激光介质7、高反射镜8、制冷系统9及输出耦合镜10等组成；其中太阳1发出的光被收集光学系统2收集汇聚，耦合光学系统3将收集光学系统2收集的太阳光耦合到光纤4中进行传输，多组光纤4通过组束器5进行组束，将多个组束器5输出的太阳光分别耦合到聚光腔6中对激光介质7进行激励，高反射镜8、激光介质7及输出镜10构成所述的太阳光光纤组束泵浦激光器的谐振腔，激光介质7由于受激辐射产生的光克服谐振腔损耗后，在高反射镜8和输出镜10间往返振荡，最后从输出输出镜10输出，制冷系统9通过液体循环将激光介质7、光纤4的入射端、组束器5的输出端及聚光器6产生的废热导出。
所述的收集光学系统2为口径400mm，焦距600mm的平凸透镜，表面镀400nm-850nm宽度增透膜，透过率达95％，作为太阳1发出光的收集器并将太阳1发出的光进行汇聚；
所述耦合光学系统3为聚焦光学系统，与收集光学系统2构成消色差光学系统，将收集光学系统2收集的太阳光聚焦耦合到光纤4中进行传输；
所述的光纤4优选芯径为1000um，数值孔径为0.22的多模石英光纤，光入射端面镀制400-850nm宽带增透膜，其作用是传输太阳光，入射端采用铜进行封装，以保证良好的散热；
所述的组束器5优选四根、六根、八根或十六根光纤4的输出端进行捆绑熔接形成，端面镀制400-850nm宽带增透膜，并采用导热较好的铜对其侧面进行封装以保证良好的散热。多个组束器5的输出端对齐，并进行线形均匀紧凑排列，封装时保证多个组束器5输出端中心共线，从而形成一发散的条形光斑；
所述的聚光腔6为内表面刨光的铜质反射体，其横截面优选具有一个公共焦点且均匀分布的三个椭圆或对称分布的四个椭圆或圆形，三组输出端线形封装的组合器5分别置于聚光腔6的非共焦点连线上或均匀分布在圆柱面的一周；
所述的激光介质7为棒状或板条状，优选Nd:YAG晶体、CrNd:YAG晶体或CrNd:GSGG晶体，置于聚光腔6的公共焦点连线上，其作用是发光；
所述的制冷系统9为液体循环冷却系统，通过液体循环将激光介质7、光纤4的入射端、组束器5的输出端及聚光器6产生的废热导出。
有益效果：本发明采用太阳光光纤组束泵浦激光介质，能够获得较高的泵浦太阳光能量，有效提高泵浦强度，从而获得高功率的激光输出。除此之外，由于光纤的灵活性，易于实现将多支激光晶体进行腔内串接，从而实现定标放大。
附图说明
图1是太阳光光纤组束泵浦激光器的示意框图。
图中1-太阳、2-收集光学系统、3-耦合光学系统、4-光纤、5-组束器、6-聚光腔、7-激光介质、8-高反射镜、9-制冷系统、10-输出耦合镜
具体实施方式
实施例1 如附图1所示，本发明的一种太阳光光纤组束泵浦激光器包括太阳1、收集光学系统2、耦合光学系统3、光纤4、组束器5、聚光腔6、激光介质7、高反射镜8、制冷系统9及输出耦合镜10等组成；其中太阳1发出的光被收集光学系统2收集汇聚，耦合光学系统3将收集光学系统2收集的太阳光耦合到光纤4中进行传输，多组光纤4通过组束器5进行组束，将多个组束器5输出的太阳光分别耦合到聚光腔6中对激光介质7进行激励，高反射镜8、激光介质7及输出镜10构成所述的太阳光光纤组束泵浦激光器的谐振腔，激光介质7由于受激辐射产生的光克服谐振腔损耗后，在高反射镜8和输出镜10间往返振荡，最后从输出输出镜10输出，制冷系统9通过液体循环将激光介质7、光纤4的入射端、组束器5的输出端及聚光器6产生的废热导出。
所述的收集光学系统2为口径400mm，焦距600mm的平凸透镜，表面镀400nm-850nm宽度增透膜，透过率达95％，作为太阳1发出光的收集器并将太阳1发出的光进行汇聚；
所述耦合光学系统3为聚焦光学系统，口径为30mm，焦距40mm，与收集光学系统2构成消色差光学系统，其作用是将收集光学系统2收集的太阳光聚焦耦合到光纤4中进行传输；
所述的光纤4优选芯径为1000um，数值孔径为0.22的多模石英光纤，光入射端面镀制400-850nm宽带增透膜，透射率达98％，其作用是传输太阳光，入射端采用铜进行封装，以保证良好的散热；
所述的组束器5优选四根、六根、八根或十六根光纤4的输出端进行捆绑熔接形成，端面镀制400-850nm宽带增透膜，并采用导热较好的铜对其侧面进行封装以保证良好的散热。多个组束器5的输出端对齐，并进行线形均匀紧凑排列，封装时保证多个组束器5输出端中心共线，从而形成一发散的条形光斑；
所述的聚光腔6为内表面刨光的铜质反射体，其横截面优选具有一个公共焦点且均匀分布的三个椭圆，聚光腔6的纵向长度为100mm，三组输出端线形封装的组合器5分别置于聚光腔6的非共焦点连线上；
所述的激光介质7优选棒状或板条状固体介质，优选Nd:YAG晶体、CrNd:YAG晶体或CrNd:GSGG晶体，置于聚光腔6的公共焦点连线上，激光介质7的两个端面镀制对1064nm透射率为99.98％增透膜，激光介质7的侧面毛化处理；
所述的制冷系统9为液体循环冷却系统，通过液体循环将激光介质7、光纤4的入射端、组束器5的输出端及聚光器6产生的废热导出。
实施例2 所述的聚光腔6横截面优选具有一个公共焦点且均匀分布的四个椭圆，四组输出端线形封装的组合器5分别置于聚光腔6的非共焦点连线上；其它同实施例1。
实施例3 所述的聚光腔6横截面优选圆形，多组输出端线形封装的组合器5均匀分布在聚光腔6的周围，其它同实施例1。

Claims (5)

1.一种太阳光光纤组束泵浦固体激光器，其特征在于包括太阳(1)、收集光学系统(2)、耦合光学系统(3)、光纤(4)、组束器(5)、聚光腔(6)、激光介质(7)、高反射镜(8)、制冷系统(9)及输出耦合镜(10)等组成；其中太阳(1)发出的光被收集光学系统(2)收集汇聚，耦合光学系统(3)将收集光学系统(2)收集的太阳光耦合到光纤(4)中进行传输，多组光纤(4)通过组束器(5)进行组束，将多个组束器(5)输出的太阳光分别耦合到聚光腔(6)中对激光介质(7)进行激励，高反射镜(8)、激光介质(7)及输出镜(10)构成所述的太阳光光纤组束泵浦固体激光器的谐振腔，激光介质(7)由于受激辐射产生的光克服谐振腔损耗后，在高反射镜(8)和输出镜(10)间往返振荡，最后从输出输出镜(10)输出，制冷系统(9)通过液体循环将激光介质(7)、光纤(4)的入射端、组束器(5)的输出端及聚光器(6)产生的废热导出。
2.根据权利1所述的一种太阳光光纤组束泵浦固体激光器，其特征在于：采用多组光纤(4)组束传输太阳光耦合到激光介质(7)的端面和侧面进行激励。
3.根据权利1所述的一种太阳光光纤组束泵浦固体激光器，其特征在于：将多组合束的光纤(4)进行线形阵列封装以获得长条形光斑。
4.根据权利1所述的一种太阳光光纤组束泵浦固体激光器，其特征在于：所述的聚光器(6)为长圆柱形状，将多组线形光纤束阵列均匀分布在激光介质(7)的周围对激光介质(7)进行激励。
5.根据权利1所述的一种太阳光光纤组束泵浦固体激光器，其特征在于：所述的聚光腔(6)为内表面刨光的铜质反射体，其横截面优选具有一个公共焦点且均匀分布的三个椭圆或对称分布的四个椭圆，三组或四组输出端线形封装的组合器(5)分别置于聚光腔(6)的非共焦点连线上。
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