CN104124604B - 薄片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器领域，尤其涉及薄片激光器。本发明提供的薄片激光器通过设置水箱，并于水箱上设置喷嘴，使得由喷嘴喷出的水呈水柱，利用水柱传输泵浦光，这样，经水柱传输的泵浦光具有分布较为均匀的效果。此外，当水流经所述薄片增益介质上表面时，还能够对薄片增益介质上表面进行冷却，进而带走薄片增益介质上泵浦区域的热量。另外根据不同的泵浦能量，可以通过改变所述水压泵的运转功率，对水流从所述薄片增益介质上表面带走热量的效率进行控制。最终实现减小薄片增益介质内部的温度梯度及热膨胀、降低薄片增益介质的热透镜效应、提高激光器的光束质量及稳定性的目的。

Description

薄片激光器

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及薄片激光器。

背景技术

全固态激光器(DPSSL，Diode pumped solid state laser)是指以半导体激光器(LD)作为泵浦源的固体激光器，其增益介质、泵浦源部分均由固体物质构成，因此集中了传统固体激光器和半导体激光器的优势于一身。其具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、易操作、运转灵活(可连续运转、脉冲运转)、易智能化、无污染等优点，是目前最具发展潜力的激光源之一。

薄片激光器是全固态激光器的一种，自Adolf.Giesen等人1994年首次实现薄片激光器以来，得到了迅速发展。如图1所示，薄片增益介质1'采用厚度很小而横向尺寸较大的薄片状材料作为激光的增益介质，将薄片增益介质1'固定在高热导率的微通道冷却热沉2'上，微通道冷却热沉2'上有冷却液微通道，为薄片增益介质背面提供冷却。由于薄片增益介质1'的面积较大且厚度较小，因此薄片增益介质1'上的热量可以快速、有效的传递给微通道冷却热沉2'，再由冷却液带走。一般薄片激光器采用激光二极管泵浦3'，泵浦光由光纤耦合输出，泵浦光A'方向与薄片增益介质的法线方向呈一定的角度，在空气中传输后到达薄片增益介质1'。薄片增益介质1'的前表面镀有对激光和泵浦光高透射的高透射膜，在薄片增益介质1'后表面(即贴紧冷却热沉的面)镀对泵浦光及激光的高反射膜，这样，泵浦光A'在薄片增益介质1'表面发生折射并进入薄片增益介质1'，进入薄片增益介质1'内的泵浦光A'部分被薄片增益介质1'吸收。另外部分由薄片增益介质1'后表面的高反射膜所反射，再次被薄片增益介质所吸收，仍然未被吸收的泵浦光B'折射进入空气中。为了保证薄片增益介质1'对泵浦光的吸收效率，在泵浦光的反射方向上放置泵浦光的全反射镜4'，将未被吸收的泵浦光B'反射回薄片增益介质1'，使得未被吸收的泵浦光B'重新进入薄片增益介质1'，从而提高薄片增益介质1'的吸收效率。由于薄片增益介质1'的后表面(贴紧冷却热沉的面)镀有对激光C'的高反射膜，因此薄片增益介质1'的后表面即可作为激光腔的全反射镜，因此只需在薄片介质1'的正前方放置激光输出镜5'即可构成谐振腔。

由于薄片激光器具有可以高效导出增益介质内的热沉积、减弱增益介质的热透镜效应等优点，因此可以实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出。由于薄片激光器具有上述优点，因此已广泛应用于国防军事、科学研究、工业生产等各个方面。

由于圆形薄片增益介质产生的激光具有圆对称性，而常用的光学元器件一般都是圆形，因此能够很好的匹配各种光学元器件，且具有圆对称性的激光束在工业等领域具有广泛应用，所以薄片激光器增益介质1'形状一般为圆形。

现有的薄片激光器一般采用光纤耦合输出的二极管激光器泵浦。二极管激光经过光纤耦合输出之后，近似为高斯分布，加载到薄片增益介质的泵浦光能量集中在中心，中心处能量密度最高，边缘能量密度较弱。而如图1所示的冷却热沉2'仅能够为薄片增益介质1'的后表面(即贴紧冷却热沉的面)提供均匀冷却，薄片增益介质1'的前表面处在空气之中，只能依靠空气的对流换热进行冷却，冷却效果非常有限。这样会导致薄片增益介质1'中心处冷却力度不够，使整个薄片增益介质1'温度分布呈现出中心温度偏高，而边缘温度偏低的状况，即在薄片增益介质1'上形成由中心到边缘的温度梯度递减的现象，即现有的薄片激光器存在泵浦光能量密度分布不均匀的现象。

另外，当薄片激光器高功率运转时，泵浦光功率较高，由于中心处功率密度较大，热量较多，导致中心处温度过高，易导致所以薄片增益介质1'的中心处产生严重的膨胀，形成类似倒扣的“碗状”变形，对于这种现象，称之为薄片激光器的热透镜效应。在高功率运行时，薄片增益介质的热透镜效应会影响激光器的输出功率、稳定性及光束质量。当薄片增益介质膨胀变形超过材料的承受能力，甚至会导致薄片增益介质炸裂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，旨在提供泵浦光能量密度分布均匀且对薄片增益介质具有良好冷却效果的薄片激光器。

本发明是这样实现的，薄片激光器，包括射出泵浦光的泵浦源装置、接收所述泵浦光并产生激光的薄片增益介质、微通道冷却热沉及激光输出镜，所述薄片增益介质设于微通道冷却热沉上侧，所述泵浦源装置与所述薄片增益介质之间设有注有水的水箱及连接所述水箱且为水箱供水的水压泵，所述水箱上表面开设有第一开口，所述水箱下表面开设有与所述第一开口相对设置的第二开口，所述泵浦源装置射出的泵浦光穿过所述第一开口进入所述水箱内并聚焦于所述第二开口处，所述第二开口处设有使第二开口喷出水柱的喷嘴，所述薄片增益介质承接所述水柱且与所述水柱的夹角呈锐角设置，所述薄片增益介质下表面设有对泵浦光和激光反射率高的反射膜，所述激光输出镜设于所述薄片增益介质上侧且所述激光输出镜与所述薄片增益介质相互平行。

具体地，所述泵浦源装置包括泵浦源、光纤、扩束器及聚焦镜，所述光纤两端分别连接所述泵浦源和扩束器，所述扩束器、聚焦镜及所述水箱之间的位置关系满足所述泵浦源射出的泵浦光经所述扩束器扩束及所述聚焦镜聚焦，聚焦光束经过所述第一开口进入所述水箱内其焦点位于所述第二开口处的所述喷嘴中心。

具体地，所述第一开口处设置采用由泵浦光高透射材料制成的透明板。

具体地，所述喷嘴朝向所述所述薄片增益介质中心。

具体地，所述激光输出镜中心正对所述薄片增益介质中心。

具体地，所述水柱由竖直方向喷出。

具体地，薄片激光器该还包括泵浦光反射镜，所述反射镜设置于所述薄片增益介质上侧并反射由所述薄片增益介质射出的泵浦光。

具体地，所述透明板上表面设有便于泵浦光通过的第一透射膜。

具体地，所述薄片增益介质上表面设有便于泵浦光和激光通过的第二透射膜。

具体地，泵浦源装置还包括连接所述水箱的水温控制器。

与现有技术相比，本发明提供的薄片激光器通过设置水箱，并于水箱上设置喷嘴，使得由喷嘴喷出的水呈水柱，利用水柱传输泵浦光，这样，经水柱传输的泵浦光具有分布较为均匀的效果。此外，当水流经所述薄片增益介质上表面时，还能够对薄片增益介质上表面进行冷却，进而带走薄片增益介质上泵浦区域的热量。另外根据不同的泵浦能量，可以通过改变所述水压泵的运转功率，对水流从所述薄片增益介质上表面带走热量的效率进行控制。最终实现减小薄片增益介质内部的温度梯度及热膨胀、降低薄片增益介质的热透镜效应、提高激光器的光束质量及稳定性的目的。

附图说明

图1是现有技术的薄片激光器的结构示意图；

图2是本发明提供的薄片激光器一优选实施例的结构示意图，图中箭头表示泵浦光及激光的传输方向；

图3是本发明提供的薄片激光器一优选实施例中薄片增益介质的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

薄片激光器，包括射出泵浦光的泵浦源装置1、接收所述泵浦光并产生激光的薄片增益介质2、微通道冷却热沉3及激光输出镜17，所述薄片增益介质2设于微通道冷却热沉3上侧，所述泵浦源装置1与所述薄片增益介质2之间设有注有水的水箱15及连接所述水箱15且为水箱15供水的水压泵16，所述水箱15上表面开设有第一开口151，所述水箱下表面开设有与所述第一开口151相对设置的第二开口152，所述泵浦源装置1射出的泵浦光穿过所述第一开口151进入所述水箱15内并聚焦于所述第二开口152处，所述第二开口152处设有使第二开口152喷出水柱18的喷嘴6，所述薄片增益介质2承接所述水柱18且与所述水柱18的夹角呈锐角设置，所述薄片增益介质2下表面设有对泵浦光和激光反射率高的反射膜21，所述激光输出镜17设于所述薄片增益介质2上侧且所述激光输出镜17与所述薄片增益2介质相互平行。

与现有技术相比，本发明提供的薄片激光器通过设置水箱，并于水箱上设置喷嘴，使得由喷嘴喷出的水呈水柱，利用水柱传输泵浦光，这样，经水柱传输的泵浦光具有分布较为均匀的效果。此外，当水流经所述薄片增益介质上表面时，还能够对薄片增益介质上表面进行冷却，进而带走薄片增益介质上泵浦区域的热量。另外根据不同的泵浦能量，可以通过改变所述水压泵的运转功率，对水流从所述薄片增益介质上表面带走热量的效率进行控制。最终实现减小薄片增益介质内部的温度梯度及热膨胀、降低薄片增益介质的热透镜效应、提高激光器的光束质量及稳定性的目的。

在本实施例中，所述泵浦源装置1包括泵浦源11、光纤12、扩束器13及聚焦镜13，所述光纤12两端分别连接所述泵浦源11和扩束器13，所述扩束器13、聚焦镜14及所述水箱15之间的位置关系满足所述泵浦源11射出的泵浦光经所述扩束器13扩束及所述聚焦镜13聚焦，聚焦光束经过所述第一开口151进入所述水箱15内其焦点位于所述第二开口152处的所述喷嘴6中心。

具体地，所述第一开口151处设置采用由泵浦光高透射材料制成的透明板4。这样，使得所述水箱15成为一封闭的箱体结构，可以防止使用本发明提供的薄片激光器使用时所述水箱15内的水溢出。另外，由于所述水箱15形成一封闭的箱体结构，这样可通过调整所述水压泵16的输出压力，进而调整由所述喷嘴18的输出水压和输出流速。

下面就本发明的工作原理对本发明作进一步的说明。

所述泵浦源11产生泵浦光，并通过光纤将泵浦光传输至扩束器13内，经扩束器13的作用，将泵浦光转化成平行的泵浦光束。泵浦光束经所述聚焦镜14折射聚焦后穿过所述透明板4并进入所述水箱15内，最终聚焦于所述第二开口152处。这里，为实现泵浦光束在所述第二开口152处的聚焦利用光学的相关原理是易于推算出来的，这里不作赘述。接着，泵浦光束将进入所述水柱18，由于水的折射率高于空气，因此，泵浦光束进入所述水柱18后，不会折射到空气中，而是在水柱18内传输，在这样的传输过程中，有利于提高所述泵浦光束的均匀性，使得当泵浦光束由所述水柱18管端射入所述薄片增益介质2时分布均匀，从而保证了泵浦光能量密度分布均匀。泵浦光束进入所述薄片增益介质2后，会部分为所述薄片增益介质2接收，并促使所述薄片增益介质2产生泵浦效应。这里，所述薄片增益介质2下表面设有对泵浦光和激光反射率高的反射膜21，同时相对所述薄片增益介质2相互平行方向设置有所述激光输出镜17，这样，所述反射膜21与所述激光输出镜17将形成完整的谐振腔，即可形成激光振荡并输出激光束，激光将垂直于所述薄片增益介质2上泵浦区域垂直向上侧射出。与此同时，由所述喷嘴6流出的水将沿所述薄片增益介质2上表面流动，从而带去所述薄片增益介质2上表面的热量，从而提高所述薄片增益介质2的散热效果。另外，为控制由所述喷嘴6的流出水带走所述薄片增益介质2能量的大小，本发明是通过在所述水箱15上设置水压泵16，进而通过调节所述水压泵16的输出功率，进而改变所述喷嘴6的流量，从而实现对由所述喷嘴6流出的水带走所述薄片增益介质2能量的大小的控制，间接的实现对所述薄片增益介质2工作温度的调控，确保所述薄片增益介质2对能够适应各能量强度的泵浦光。

优选地，所述喷嘴6朝向所述所述薄片增益介质2中心。

进一步的优选，所述激光输出镜17中心正对所述薄片增益介质2中心。

更进一步的优选，所述水柱18由竖直方向喷出。

进一步，本实施例中，所述薄片激光器还包括泵浦光反射镜5，所述反射镜5设置于所述薄片增益介质2上侧并反射由所述薄片增益介质2射出的泵浦光。当泵浦光射入所述薄片增益介质2后，部分被所述薄片增益介质2所吸收，未被吸收的部分将在所述所述反射膜21的作用下反射到空气，这里，通过设置所述反射镜5将未被吸收的泵浦光反射回薄片增益介质2内，从而实现泵浦光的二次利用，提高所述薄片增益介质2吸收泵浦光的效率。

进一步，为降低所述泵浦光通过所述透明板4的反射率，所述透明板4上表面设有便于泵浦光通过的第一透射膜。

为便于泵浦光射入或激光射出所述薄片增益介质2，所述薄片增益介质2上表面设有便于泵浦光和激光通过的第二透射膜22。

作为上述技术方案进一步的改进，所述泵浦源装置1还包括连接所述水箱15的水温控制器19。这样，通过所述水温控制器19对所述水箱15温度的实时控制，来保证由所述喷嘴6流出的水与所述薄片增益介质2之间具有一个合理的温差，从而保证由所述喷嘴6流出的水的流量与其带走所述薄片增益介质2的热量存在一个较为稳定的比例关系，有利于保证所述薄片增益介质2处于较为合理的温度工作。这里，所述水温控制器19包括水温冷却装置和水温加热装置及水温感应装置，有鉴于实现水温控制是现有技术的内容，在此不对所述水温控制器19的具体设置方式作赘述。

以上所述仅为本发明较佳的实施例而已，其结构并不限于上述列举的形状，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.薄片激光器，包括射出泵浦光的泵浦源装置、接收所述泵浦光并产生激光的薄片增益介质、微通道冷却热沉及激光输出镜，所述薄片增益介质设于微通道冷却热沉上侧，其特征在于：所述泵浦源装置与所述薄片增益介质之间设有注有水的水箱及连接所述水箱且为水箱供水的水压泵，所述水箱上表面开设有第一开口，所述水箱下表面开设有与所述第一开口相对设置的第二开口，所述泵浦源装置射出的泵浦光穿过所述第一开口进入所述水箱内并聚焦于所述第二开口处，所述第二开口处设有使第二开口喷出水柱的喷嘴，所述薄片增益介质承接所述水柱且与所述水柱的夹角呈锐角设置，所述薄片增益介质下表面设有对泵浦光和激光反射率高的反射膜，所述激光输出镜设于所述薄片增益介质上侧且所述激光输出镜与所述薄片增益介质相互平行；所述第一开口处设置采用由泵浦光高透射材料制成的透明板；所述水箱为一封闭的箱体结构，所述泵浦源装置还包括连接所述水箱的水温控制器；所述喷嘴朝向所述薄片增益介质中心，所述水柱由竖直方向喷出，所述薄片增益介质设于所述喷嘴的正下方，所述第一开口、所述第二开口、所述喷嘴及所述薄片增益介质的中心位于同一竖直线上。

2.根据权利要求1所述的薄片激光器，其特征在于：所述泵浦源装置包括泵浦源、光纤、扩束器及聚焦镜，所述光纤两端分别连接所述泵浦源和扩束器，所述扩束器、聚焦镜及所述水箱之间的位置关系满足所述泵浦源射出的泵浦光经所述扩束器扩束及所述聚焦镜聚焦，聚焦光束经过所述第一开口进入所述水箱内其焦点位于所述第二开口处的所述喷嘴中心。

3.根据权利要求1所述的薄片激光器，其特征在于：所述激光输出镜中心正对所述薄片增益介质中心。

4.根据权利要求1所述的薄片激光器，其特征在于：还包括泵浦光反射镜，所述反射镜设置于所述薄片增益介质上侧并反射由所述薄片增益介质射出的泵浦光。

5.根据权利要求1所述的薄片激光器，其特征在于：所述透明板上表面设有便于泵浦光通过的第一透射膜。

6.根据权利要求5所述的薄片激光器，其特征在于：所述薄片增益介质上表面设有便于泵浦光和激光通过的第二透射膜。