CN102723657B - 分布反馈固-液激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的分布反馈固液激光装置，包括泵浦源；椭圆形反射腔体；盛装增益介质片和匹配液的腔体和控制匹配液温度及循环的带有液体泵的温控循环装置；泵浦源和腔体分别位于椭圆形反射腔体的两个焦点处；增益介质片浸于匹配液中并固定于腔体内部，增益介质片有两个面严格平行，两个面经光学抛光后作激光通光面，增益介质片法线和腔体的轴线成θ角；腔体的两端对称地设置两个光学窗口；腔体侧壁上还对称地设置匹配液体进口和匹配液体出口；温控循环装置装于连通匹配液体进口和匹配液体出口的连接管道上；激光在腔体内的增益介质片上不断被反馈反馈增益，以实现高光束质量高功率的反馈增益激光。

Description

分布反馈固-液激光器

技术领域

本发明涉及一种激光系统，特别涉及一种高功率、高光束质量的分布反馈固-液激光器。

背景技术：

当前激光器有多种类型，包括液体激光器，气体激光器，等离子体激光器以及固体激光器等。

液体激光器的增益介质通常由有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中组成。增益介质通常由闪光灯或其他激光来进行泵浦。这类激光器通常存在很宽的增益带宽，从可见光到近红外等。高增益和宽发射截面使液体激光器在很多方面得到了很好的应用。但是，这些染料激光器上能级寿命很短，使之不能应用在高功率激光领域。同时，部分液体的吸收带宽与半导体泵浦激光器的发射谱不相匹配，因此不能使用半导体二极管作为其泵浦源。

固体激光器的增益介质通常由掺杂激活离子的晶体组成。其中常用的激光激活离子主要为稀土粒子，例如钕离子、铒离子、镱离子等。激光器的特性，如吸收特性、受激发射截面、上能级寿命等，主要由掺杂离子以及晶体之间的相互作用所决定。这些因素决定了激光介质的能级和线宽等。固体激光器的增益介质通常为棒状和片状结构，主要采取半导体激光二极管泵浦。对于固体激光器来说，在高功率下由于泵浦引起的热效应将严重影响其平均功率和光束质量。晶体的热主要来自于量子损耗，晶体所产生的热必须及时被带走，否则不均匀的热分布在晶体上将形成热梯度，会对晶体造成一定的形变，从而会影响激光的输出。因此对于固体激光器来说如何采取有效的热管理是其面临的主要问题。

为了解决液体激光器增益介质吸收带宽问题和固体激光器的热管理问题,美国人Michael D.perry，提出了一种分布增益的激光装置[US.Patent6937629和US.Patent 7366221],该装置保留了激光器的腔结构，将增益介质切割成片，并以梳状方式排列在容器中，凭借液体在固体片之间的流动来降低增益介质表面的温度。

发明内容：

本发明的目的是克服现有固体激光器和液体激光器的性能不足,从而提供一种将固体增益介质片和匹配液混合而成的新型分布反馈固液激光器，利用光在固体增益介质片中的分布反馈放大，以及匹配液对固体增益介质片的有效冷却，实现激光双向输出，具有结构紧凑和效率高的特点。

本发明是这样实现的：

本发明提供的分布反馈固液激光器，其包括：

一泵浦源；

一椭圆形反射腔体；

一盛装增益介质片和匹配液的腔体和控制匹配液温度及循环的带有液体泵的温控循环装置；

所述泵浦源和腔体分别位于所述椭圆形反射腔体的两个焦点处；

与所述液体泵相连的匹配液流通管道；及与温控循环装置相连通的匹配液回流管道；

所述增益介质片浸于所述匹配液中并固定于腔体内，增益介质片具有平行的两个大平面，该两个大平面经光学抛光后作为激光通光面，增益介质片的该两个大平面和腔体轴线成θ角，0°﹤θ≦90°；

所述腔体两端面上对称地设置用作激光双向输出的光学窗口；

所述腔体具有一个液体入口和一个液体出口；所述液体入口与匹配液流通管道相连通，所述液体出口与匹配液回流管道相连通，装于腔体的匹配液由腔体的液体出口流出，经过匹配液回流管道进入温控循环装置，在温控循环装置中进行热交换，匹配液在增益介质片之间层流带走增益介质片产生的热，之后匹配液通过与温控循环装置相连的液体泵及液体入口重新被泵入腔体，进行匹配液的下一次循环；

所述泵浦发出的泵浦光通过椭圆形反射腔体反射后对腔体内的增益介质片进行泵浦，腔体内部形成两列反向行进的光波，一列沿x轴正向传播，另一列朝x轴负向传播；每一列光波在增益介质片之间的传播过程中接收来自另一列反向传输光波的部分反射光，在增益介质片上产生反馈增益，得到反馈增益激光。

所述的泵浦源为半导体二极管激光器或闪光灯。

所述的椭圆形反射腔体内壁上涂有高反涂层。

所述的增益介质片为掺杂激活粒子的基质材料片，所述基质材料片的基质材料为玻璃、蓝宝石、石榴石、氧化铝、硫氧化物、磷酸盐、硅酸盐、钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐、铍酸盐；氟化物或陶瓷；所述激活粒子为稀土离子、锕系离子或过渡金属粒子；所述稀土离子为钕、铒、钬、铥、镨、钇、钆、钐或镝。

所述增益介质片厚度d同时满足d>ln(1/gT1T2)和d<（4KΔT/Q）1/2公式；其中，T1和T2分别为增益介质片两端面的透射率，g为增益介质片单位长度的增益值；k为增益介质片的热导率，ΔT为增益介质片表面温度和中心温度的温度差，Q为增益介质片单位体积的发热量。

所述相邻二增益介质片之间的距离为D，0<D<100mm。

所述的匹配液为有机冷却液或无机冷却液，如十八稀溶液，酒精等；匹配液折射率与增益介质片折射率之差△n满足下述条件：10^-5＜Δn＜1。

本发明的分布反馈固液混合激光器具有如下优点：

本发明的分布反馈的固液混合激光器，增益介质片按一定方式(增益介质片的两个大平面法线和腔体轴线成θ角，0°≦θ﹤90°)排列，作为光分布反馈的基础，同时提供光放大的有效增益；匹配液在增益介质片之间层流，有效地将固体增益介质片产生的热通过流动液体带走，避免增益介质片形变；盛装增益介质片及匹配液的腔体位于椭圆形激光腔体的一个焦点处,泵浦源位于椭圆形激光腔体的另一个焦点处,泵浦源发出的泵浦光通过腔体的反射，汇聚到固体增益介质片上,对固体增益介质片进行泵浦；固体增益介质片具有一定的厚度，可使特定波长的光可以通过固体增益介质片并产生放大；光在每个固体增益介质片与匹配液界面上发生反馈；当反馈足够强时即形成激光双向输出。

本发明是基于分布反馈理论实现激光在装置中的双向输出，由于采用多个固体增益介质片，表面没有镀膜，因此可长时间在液体中浸泡；本发明的分布反馈固液混合激光器中不一定必须有腔镜，便可实现激光的双向输出，如果在腔体2两端添加腔镜，同样也可以实现激光的双向输出，同时可以控制激光功率的输出。

附图说明

图1为本发明分布反馈固-液激光器的结构示意图；

图2为腔体2与液体入口5和液体出口6的示意图；

图3为腔体2及匹配液11在增益介质片12之间层流的示意图；

图4为椭圆形反射腔体4、泵浦源3及腔体2的结构示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

图1为本发明分布反馈固-液激光器的结构示意图；图2为腔体2与液体入口5和液体出口6的示意图；图3为腔体2及匹配液11在增益介质片12之间层流的示意图；图4为椭圆形反射腔体4、泵浦源3及腔体2的结构示意图；由图可知，本发明提供的一种分布反馈固液激光器，其包括：

一泵浦源3；

一椭圆形反射腔体4；

一盛装增益介质片12和匹配液11的腔体2和控制匹配液温度及循环的带有液体泵7的温控循环装置8；

所述泵浦源3和腔体2分别位于所述椭圆形反射腔体4的两个焦点处；

与所述液体泵7相连的匹配液流通管道9；及与温控循环装置8相连通的匹配液回流管道10；

所述增益介质片12浸于所述匹配液11中并固定于腔体2内，增益介质片12具有平行的两个大平面，该两个大平面经光学抛光后作为激光通光面，增益介质片12的两个大平面法线和腔体2轴线成θ角，0°≦θ﹤90°；

所述腔体2两端面上对称地设置用作激光双向输出的光学窗口13；

所述腔体2具有一个液体入口5和一个液体出口6；所述液体入口5与匹配液流通管道9相连通，所述液体出口6与匹配液回流管道10相连通，装于腔体2的匹配液11由腔体2的液体出口6流出，经过匹配液回流管道10进入温控循环装置8，在温控循环装置8中进行热交换，匹配液11在增益介质片12之间层流带走增益介质片12产生的热，之后匹配液11通过与温控循环装置8相连的液体泵7及液体入口5重新被泵入腔体2，进行匹配液的下一次循环；

所述泵浦3发出的泵浦光通过椭圆形反射腔体4反射后对腔体2内的增益介质片12进行泵浦，腔体2内部形成两列反向行进的光波，一列沿x轴正向传播，另一列朝x轴负向传播；每一列光波在增益介质片之间的传播过程中接收来自另一列反向传输光波的部分反射光，在增益介质片上产生反馈增益，得到反馈增益激光。

实施例1，

图1和图2给出本发明一实施例的分布反馈固液激光装置的结构示意图，本实施例中，泵浦源3为808nm半导体二极管泵浦装置，增益介质片12为掺杂钕离子(Nd³⁺)的YAG晶体片，匹配液为十八稀溶液；Nd:YAG晶体片和十八稀溶液盛装于腔体2；泵浦源3和腔体2分别位于椭圆形反射腔体4的两个焦点处；Nd:YAG晶体片切割成方片状，并固定于腔体2内，Nd:YAG晶体片厚度d=1mm，两个大面严格平行，折射率为n₁=1.82，两个大面经光学抛光后作激光通光面；Nd:YAG晶体片的法线和腔体2轴线平行，相邻Nd:YAG晶体片间距离D=2mm；作为泵浦源的808nm半导体二极管泵浦装置对Nd:YAG晶体片进行泵浦，匹配液（十八稀溶液）在Nd:YAG晶体片之间流动（层流），将泵浦对Nd:YAG晶体片产生的热带走，从而降低Nd:YAG晶体片的温度，实现有效的热管理；腔体2的端面上对称地设置两个光学窗口13，用作激光双向输出；腔体2侧壁上还对称地设置液体（循环十八稀溶液）入口5和液体（循环十八稀溶液）出口6；液体入口5与匹配液流通管道9相连通，液体出口6与匹配液回流管道10相连通，匹配液流通管道9另一端与液体泵7相连，液体泵7与温控循环装置相连8，温控循环装置8与匹配液回流管道10相连；装于腔体2的匹配液11由腔体2的液体出口6流出，经过匹配液回流管道10进入温控循环装置8，在温控循环装置8中进行热交换，匹配液11在Nd:YAG晶体片之间层流带走Nd:YAG晶体片产生的热，之后匹配液11通过与温控循环装置8相连的液体泵7及液体入口5重新被泵入腔体2，以实现匹配液11的循环使用；

泵浦源3发出的泵浦光通过椭圆形反射腔体4反射后对腔体2内的Nd:YAG晶体片进行泵浦，腔体2内部形成两列反向行进的光波，一列沿x轴正向传播，另一列朝x轴负向传播；每一列光波在Nd:YAG晶体片之间的传播过程中接收来自另一列反向传输光波的部分反射光，在增益介质片上产生反馈增益，得到高光束质量高功率的反馈增益激光输出。

实施例2

本实施例2为一种产生激光波长为1030nm固液混合激光的激光器。

本实施例与实施例1类似，不同之处有两点，一是增益介质片12选用掺杂浓度为2.at%的Yb:YAG晶体片，该Yb:YAG晶体片形状与实施例1类似；二是泵浦源3采用波长为940nm的半导体二极管泵浦装置。

同样的道理，本发明的增益介质片12为掺杂激活粒子的基质材料片，所述基质材料片的基质材料为玻璃、蓝宝石、石榴石、氧化铝、硫氧化物、磷酸盐、硅酸盐、钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐、铍酸盐；氟化物或陶瓷；所述激活粒子为稀土离子、锕系离子或过渡金属粒子；所述稀土离子为钕、铒、钬、铥、镨、钇、钆、钐或镝；本发明的增益介质片12采用上述材料均可以实现本发明的技术方案。

另外，本实施例的椭圆形反射腔体4内壁上涂有高反涂层,如聚四氟乙烯。

实施例3

本实施例与实施例1类似，不同之处有二点，一是对腔体2端面的两个光学窗口进行镀膜，即两个光学窗口分别镀有对激光波长5%透过率的膜，使腔体2内的激光产生双向部分输出，同时也可以在腔体2外部添加腔镜；二是泵浦源3采用闪光灯泵浦。

实施例4

本实施例与实施例1类似，不同之处主要是增益介质片12之间通过压电陶瓷连接，通过改变压电陶瓷的电压，改变压电陶瓷的伸缩量，进而调节增益介质片12之间的距离。

实施例5

本实施例与实施例1类似,不同之处主要是增益介质片12的两个大平面和腔体2轴线成布鲁斯特角φ(θ=90°-φ)，由于n个增益介质片平行排列，折射光连续经过多次折射，透射光几乎是线偏振光输出。

实施例6

本实施例与实施例1类似,对于1cm长的Yb:YAG晶体，小信号单程增益为g=1.5/cm,增益介质片的两端透过率为T1=T2=0.8，K=0.14W/cm·K,，ΔT=20℃,Q=20W/cm³增益介质片的厚度满足，此时可以取d=0.1cm。

实施例7

本实施例与实施例1类似，不同之处在于当液体流速在2L/min时，增益介质片之间的距离D=10mm。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变型都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种分布反馈固液激光器，其包括：

一泵浦源；

一椭圆形反射腔体；

一盛装增益介质片和匹配液的腔体和控制匹配液温度及循环的带有液体泵的温

控循环装置；

所述泵浦源和腔体分别位于所述椭圆形反射腔体的两个焦点处；

与所述液体泵相连的匹配液流通管道；及与温控循环装置相连通的匹配液回流管道；

所述增益介质片浸于所述匹配液中并固定于腔体内，增益介质片具有平行的两个大平面，该两个大平面经光学抛光后作为激光通光面，增益介质片两个大平面的法线和腔体轴线成θ角，0°≦θ﹤90°；

所述腔体两端面上对称地设置用作激光双向输出的光学窗口；

所述腔体具有一个液体入口和一个液体出口；所述液体入口与匹配液流通管道相连通，所述液体出口与匹配液回流管道相连通，装于腔体的匹配液由腔体的液体出口流出，经过匹配液回流管道进入温控循环装置，在温控循环装置中进行热交换，匹配液在增益介质片之间层流带走增益介质片产生的热，之后匹配液通过与温控循环装置相连的液体泵及液体入口重新被泵入腔体，进行匹配液的下一次循环；

所述泵浦发出的泵浦光通过椭圆形反射腔体反射后对腔体内的增益介质片进行泵浦，腔体内部形成两列反向行进的光波，一列沿x轴正向传播，另一列朝x轴负向传播；每一列光波在增益介质片之间的传播过程中接收来自另一列反向传输光波的部分反射光，在增益介质片上产生反馈增益，得到反馈增益激光；

所述增益介质片之间通过压电陶瓷连接，通过压电陶瓷电压的改变来改变增益介质片之间的距离，以提高分布反馈固液激光器的冷却效果和激光输出效率。

2.按权利要求1所述的分布反馈固液激光器，其特征在于，所述的泵浦源为半导体二极管激光器或闪光灯。

3.按权利要求1所述的分布反馈固液激光器，其特征在于，所述的椭圆形反射腔体内壁上涂有高反涂层。

4.按权利要求1所述的分布反馈固液激光器，其特征在于，所述的增益介质片为掺杂激活粒子的基质材料片，所述基质材料片的基质材料为玻璃、蓝宝石、石榴石、氧化铝、硫氧化物、磷酸盐、硅酸盐、钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐、铍酸盐；氟化物或陶瓷；所述激活粒子为稀土离子、锕系离子或过渡金属粒子；所述稀土离子为钕、铒、钬、铥、镨、钇、钆、钐或镝。

5.按权利要求1所述的分布反馈固液激光器，其特征在于，所述增益介质片厚度d满足下述公式：ln(1/gT1T2)<d<(4KΔT/Q)·1/2；

其中，T1和T2分别为增益介质片两端面的透射率，g为增益介质片单位长度的增益值；k为增益介质片的热导率，ΔT为增益介质片表面温度和中心温度的温度差，Q为增益介质片单位体积的发热量。

6.按权利要求1所述的分布反馈固液激光器，其特征在于，相邻二增益介质片之间的距离为D，0<D<100mm。

7.按权利要求1所述的分布反馈固液激光器，其特征在于，所述的匹配液为有机冷却液或无机冷却液,所述匹配液折射率与增益介质片折射率之差△n满足下述条件：10^-5<△n<1。

8.按权利要求7所述的分布反馈固液激光器，其特征在于，所述的有机冷却液为十八稀溶液或酒精。