CN104064955B - 一种浸没式冷却固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浸没式冷却固体激光器。包括流动增益池、与流动增益池依次连接的热交换器、折射率匹配液储液池、流动循环泵和流量控制器；流动增益池两端分别通过折射率匹配液出口和折射率匹配液进口与热交换器和流量控制器连接从而形成闭路的冷却循环系统；流动增益池外部还设置有谐振腔与半导体激光泵浦源；谐振腔由全反射镜和输出镜组成；折射率匹配液储液池内装有折射率匹配液；流动增益池内部在通光方向设置有呈布儒斯特角“八字型”对称摆放的激光增益介质；流动增益池四周还设置有通光窗口。本发明提出了一种避免了光路偏折、提高了工作效率的浸没式冷却固体激光器。
Description
技术领域
本发明属激光器技术领域，涉及一种激光器，具体涉及一种浸没式冷却固体激光器。
背景技术
固体激光器具有输出能量大，峰值功率高等特点，在工业制造、国防、高能物理研究等领域有着广泛的应用。随着激光技术的进步，高功率强激光技术目前己成为固体激光器发展一个重要方向。但固态激光系统由于泵浦过程中的斯塔克斯谱移、量子亏损、无用泵浦吸收带等原因，会产生大量的废热，导致增益介质的热透镜、应力、退偏、双折射，甚至产生破坏性不可逆损，从而限制了它的重复使用率、使用范围、运转周期和寿命。美国利弗莫尔国家实验室提出了采用激光器工作过程中不冷却，停止运转后对工作介质进行强制快速致冷的固体激光器热容模式(IEEE J.Quantum Electron.,31:293-300)。该方法在一定程度上提高了热管理效率，改善了输出光束质量，提高了平均输出功率和工作效率，但无法实现冷却和激光输出同时进行，必须采用脱机冷却的工作方式，大大影响了激光器工作的稳定性和效率，并未从根本上解决工作过程中的热效问题。美国通用公司提出了采用分布式激光增益介质的激光器，将增益介质切割为一定厚度的薄片，按照一定角度阵列排布，冷却液体从阵列薄片四周流动，实现激光器运转和冷却同时进行(专利US7366211B2)。该方法提高了冷却液和激光增益介质的热交换效率，可以有效的提高固体激光器的冷却效果，但增益介质呈一定角度重复排列必然造成光路的偏折，给光路的设计及调整带来一定挑战。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出一种浸没式冷却固体激光器，有效的避免了光路偏折，实现大口径激光输出和冷却同时进行，提高了激光器的输出功率和工作效率，降低激光泵浦过程中增益介质的热累积。
本发明的技术方案为：一种浸没式冷却固体激光器，其特殊之处在于：包括流动增益池、与流动增益池依次连接的热交换器、折射率匹配液储液池、流动循环泵和流量控制器；所述流动增益池两端分别通过折射率匹配液出口和折射率匹配液进口与热交换器和流量控制器连接从而形成闭路的冷却循环系统；上述流动增益池外部还设置有谐振腔与半导体激光泵浦源；
上述谐振腔由全反射镜和输出镜组成；
上述折射率匹配液储液池内装有折射率匹配液；
上述流动增益池内部在通光方向设置有呈布儒斯特角“八字型”对称摆放的激光增益介质；流动增益池四周还设置有通光窗口；
上述激光增益介质为片状掺钕激光玻璃或晶体材料，且增益介质的泵浦光和激光输出方向垂直；
上述半导体激光泵浦源波长为800～808纳米；
上述激光增益介质厚度为0.1～10mm,边长为10～100mm；
上述折射率匹配液为有机溶剂或其混合物；
上述全反镜为平面镜镀1048～1070纳米全反膜；
上述输出镜为凹面镜；
上述通光窗口镀有800～808纳米增透膜石英窗口片。
本发明的优点如下：
该浸没式冷却固体激光器，采用激光性能的片状掺钕晶体或玻璃作为激光增益介质，可以充分发挥固体激光器优异的光谱特性，实现大口径激光输出；同时采用液体对激光工作物质直接进行浸没式冷却，大大提高了热管理效率，极限热功率负载大幅提高，从而允许注入更高的泵浦功率并大幅提高激光输出功率和频率。将固体材料加工为薄片，可以直接提高增益介质的散热面积，提高了增益介质和冷却液的热交换效率；增益介质在流动池中可以单片或多片为一组，每组间呈“八字型”对称摆放，可以实现增益介质的阵列排放，而不会产生光路偏折。增益介质的泵浦光和激光输出方向垂直，方便泵浦源的空间摆放，可以实现单元模块的串联激光放大，更容易实现高能量激光输出。
附图说明
图1为本发明的浸没式冷却固体激光器意图；
图2为本发明的浸没式冷却固体激光器匹配液流动循环示意图；
图3为本发明的浸没式冷却固体激光器激光输出图谱；
图4为本发明的浸没式冷却固体激光器激光输出斜率效率；
其中1-输出镜，2-全反镜，3-半导体激光泵浦源，4-流动增益池，5-激光增益介质，6a-折射率匹配液进口，6b-折射率匹配液出口，7-激光输出通光窗口，8-泵浦光通光窗口，9-热交换器，10-折射率匹配液储液池，11-流动循环泵，12-流量控制器。
具体实施方式
参见图1-4，一种浸没式冷却固体激光器，包括流动增益池4、与流动增益池4依次连接的热交换器9、折射率匹配液储液池10、流动循环泵11和流量控制器12；所述流动增益池4两端分别通过折射率匹配液出口6b和折射率匹配液进口6a与热交换器9和流量控制器12连接从而形成闭路的冷却循环系统；所述流动增益池4外部还设置有谐振腔与半导体激光泵浦源；谐振腔由全反射镜2和输出镜1组成；折射率匹配液储液池10内装有折射率匹配液；流动增益池4内部在通光方向设置有呈布儒斯特角“八字型”对称摆放的激光增益介质；流动增益池4四周还设置有通光窗口；激光增益介质为片状掺钕激光玻璃或晶体材料，且增益介质的泵浦光和激光输出方向垂直。半导体激光泵浦源波长为808纳米；激光增益介质为掺钕激光玻璃或晶体材料；激光增益介质厚度为0.1～10mm,边长为10～100mm；折射率匹配液为有机溶剂或其混合物；全反镜为平面镜镀1064纳米全反膜；输出镜为凹面镜；通光窗口镀有808纳米增透膜石英窗口片。
图1为本发明的浸没式冷却固体激光器意图。由图可知，1和2分别为输出镜和全反射镜，全反镜为平面镜镀1064纳米全反膜，输出镜为凹面镜在1064纳米透过率为85％，形成一个完整的平凹谐振腔可以实现光的振荡放大。3为半导体激光泵浦源，波长为808纳米，用于对摆放于流动增益池4中的Nd:YAG晶体5进行泵浦。4为流动增益池，内可安置片状激光增益介质，在其底端和顶端各有两个进液和出液口6，在激光振荡通光方向为镀有1064纳米增透膜石英窗口片7，半导体激光泵浦源正对方向为镀有808纳米增透膜石英窗口片8。激光增益介质为1at％浓度的Nd:YAG晶体，尺寸为30*25*1mm3，三片一组，与1064纳米激光输出方向呈布儒斯特角(38.4°)摆放，两组晶片呈“八字型”对称摆放，可以抵消其中一组倾斜摆放产生的光路偏折，有利于单元模块的串联放大。
图2为浸没式冷却固体激光器匹配液流动循环示意图。由于固态激光系统在泵浦过程中的斯塔克斯谱移、量子亏损、无用泵浦吸收等原因，会产生大量的废热，导致增益介质的热透镜、应力、退偏、双折射，影响激光器的正常运转。本发明采用折射率匹配冷却液，对增益介质产生的废热实时动态流动管理，有效的降低了废热的累积。本方案采用与石英在1064纳米折射率匹配的四氯化碳为冷却液体，该液体对808纳米和1064纳米的光波几乎不吸收，大大降到了冷却液体对泵浦光和输出激光的损耗。激光增益介质5完全浸没在四氯化碳中，经流动增益池4上的出液口6-b到达热交换器9中，从而对从增益体系中带出的废热进行交换，降低冷却液的温度。然后，冷却液进入储液池10，经螺旋泵11给液体提供一定流速，经流速控制器12将液体流速控制在2m/s，经进液口6-a到达流动增益池，完成整个流动冷却循环过程。
采用两台808纳米半导体阵列激光器，分布于流动增益池的两侧，泵浦频率为1赫兹，泵浦脉宽为200微秒，泵浦光经光学整形后将能量集中在10*10mm2的一个面上，对激光增益介质进行脉冲泵浦，流动液体的流速为2m/s，实现了1064纳米的稳定激光输出(见图3)。通过调整泵浦能量，采用能量计探头获得了不同泵浦能量条件下的激光输出能量，并获得了激光器的斜率效率为30％(见图4)。
Claims (7)
1.一种浸没式冷却固体激光器，其特征在于：包括流动增益池、与流动增益池依次连接的热交换器、折射率匹配液储液池、流动循环泵和流量控制器；所述流动增益池两端分别通过折射率匹配液出口和折射率匹配液进口与热交换器和流量控制器连接从而形成闭路的冷却循环系统；所述流动增益池外部还设置有谐振腔与半导体激光泵浦源；
所述谐振腔由全反射镜和输出镜组成；
所述折射率匹配液储液池内装有折射率匹配液；
所述流动增益池内部在通光方向设置有呈布儒斯特角“八字型”对称摆放的激光增益介质；流动增益池四周还设置有通光窗口；
所述激光增益介质为片状掺钕激光玻璃或晶体材料，且增益介质的泵浦光和激光输出方向垂直。
2.根据权利要求1所述的浸没式冷却固体激光器，其特征在于：所述半导体激光泵浦源波长为800～808纳米。
3.根据权利要求1或2所述的浸没式冷却固体激光器，其特征在于：所述激光增益介质厚度为0.1～10mm，边长为10～100mm。
4.根据权利要求3所述的浸没式冷却固体激光器，其特征在于：所述折射率匹配液为有机溶剂或其混合物。
5.根据权利要求4所述的浸没式冷却固体激光器，其特征在于：所述全反镜为平面镜镀1048～1070纳米全反膜。
6.根据权利要求5所述的浸没式冷却固体激光器，其特征在于：所述输出镜为凹面镜。
7.根据权利要求6所述的浸没式冷却固体激光器，其特征在于：所述通光窗口为镀有800～808纳米增透膜的石英窗口片。
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