CN104617481A - 薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统 - Google Patents

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蔡和
王浟
韩聚洪
张伟
薛亮平
安国斐
王宏元
周杰
蒋志刚
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本发明提出的一种薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统,旨在提供一种能够加快蒸气介质散热速度，可进一步减轻蒸气腔温度梯度分布的激光系统。本发明通过下述技术方案予以实现：半导体激光光源经过泵浦光线宽压窄系统进行压窄后，通过泵浦光束匀化准直系统耦合进入充有碱金属介质和缓冲气体的碱金属蒸气腔，以匹配泵浦线宽和碱金属原子的吸收线宽，泵浦光束匀化准直系统匀化吸收泵浦光；泵浦光反射系统将未被吸收的泵浦光多次反射回碱金属蒸气腔，碱金属蒸气温度控制系统紧挨碱金属蒸气腔后端面，采用平面、大面积的温控方式加快轴向方向的热传递，减小蒸气腔横向方向的温度梯度分布，激光在激光器谐振腔内振荡输出激光。

Description

薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统
技术领域
本发明涉及一种半导体泵浦碱金属蒸气激光器，尤其涉及一种薄片型的半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器。
背景技术
半导体泵浦的碱金属蒸气激光(Diode Pumped Alkali Vapor Laser,DPAL)是兼有固体激光和气体激光优点的新型激光器件,具有量子效率高、光束质量好和线宽窄等特点，近年来迅速发展的新型高效激光器。,在激光干扰、激光冷却、定向能量传输、环境监测、材料处理及医疗磁共振成像系统等方面有广泛的应用前景。半导体抽运碱金属蒸气激光器DPAL是一种典型的三能级激光器，其主要增益介质为钾(K)、铷(Rb)和铯(Cs)蒸气。这三种增益介质原子具有相似的能级结构。比如在如图3所示碱金属原子的能级结构中,处于碱金属原子基态E0能级的电子受激吸收泵浦光后跃迁至激发态E2能级，并弛豫至E1能级，当E1能级和E0能级形成粒子数反转后将产生受激辐射光。在此过程中，为加快电子的弛豫速度，通常需要充入一定的小分子烷烃类气体作为缓冲气体，如甲烷，乙烷等。在DPAL中，多普勒展宽后的碱金属原子吸收线宽通常比半导体激光泵浦源的线宽一般比小3-4个数量级。为实现高效率的激光输出，需要解决半导体激光线宽和碱金属原子吸收线宽的不匹配问题。在实际激光器设计中，常常采用以下两种方法：一种是将半导体激光的输出线宽进行压窄；另一种是充入高压强的缓冲气体(氦气或烷烃类气体)通过气体碰撞展宽碱金属原子的吸收线宽。
目前，碱金属蒸气腔内的温度梯度分布是影响DPAL高功率高光束质量输出的主要问题之一，这种现象是由于气体介质热传导性能较差、增益介质对泵浦光在空间上的吸收不均匀等因素而造成的，特别是在高功率泵浦情况下腔内的温度梯度分布尤为明显。温度梯度分布会导致增益介质密度在腔内不均匀分布以及产生热透镜效应等问题，并影响激光输出的光束质量和稳定性，甚至会限制激光功率的提高。采用气体流动散热的方法能减轻DPAL的热效应，但会增大系统的复杂性。
薄片激光器在固体激光领域解决较好的解决了温度梯度分布问题，其概念是由德国斯图加特大学(Stuttgart University)首先提出,目前在高能固体激光领域得到了极大的应用。薄片激光器的主要思路是利用薄片状激光晶体作为激光器的增益介质，可采用端面或侧面泵浦的方式。由于激光晶体厚度很薄(φ/d值很大，其中φ为晶体的直径，d晶体厚度)，在高效冷却技术的条件下，即使采用高功率密度的泵浦光进行泵浦，晶体内部轴向温度梯度也很小，温升不大且晶体中热流方向与光轴方向平行。这种近似均匀分布的温度场极大地减轻了晶体的热形变以及对激光光束质量的影响。但设计高功率固体激光器的主要难度在于，对抽运过程中无法避免的废热进行处理以及消除由于将废热去除而导致的后果。在激光工作过程中如果不对增益介质冷却，就会导致其温度升高，使得增益系数降低，最终导致不能工作，对增益介质冷却就会引起热透镜、机械应力及其它许多问题的产生，进而可能使激光光束质量下降。降低激光输出功率、甚至可能导致固体激光增益介质的破裂。消除由于消除废热而引起的后果，必须要减少热量和热流密度，减小热流的传导路程和对激光场的影响。近几年来，关于这方面的研究有很多的设计模型。比较理想的模型是盘片激光器。二是在激光工作过程中不对增益介质冷却，即同体热容激光器。这就要求选择增益介质的热容和密度要尽可能的大。从而在相同的激光输出的情况下，增益介质的温度升高尽量小。由于Yb离子的量子缺陷比Nd离子低的多，约为1/3，相同抽运条件下，以相同的晶体尺寸，Nd:YAG晶体的输出功率比Nd:GGG晶体大约高1/3。这在很大的程度上降低了废热的产生。但是由于Yb离是准三能级结构，激光下能级低，所以受温度影响大，抽运值高。盘片激光器向高功率发展的瓶颈有两个:热机械变形和放大自发辐射(ASE)。热机械变形主要是由于淀积在增益介质里的废热引起的。去除废热就会引起热透镜、机械应力及其它许多问题，进而可能使激光光束质量下降、降低激光输出功率、甚至可能导致固体激光增益介质的破裂。ASE是由于盘片长轴方向发生寄生振荡引起的激光输出量降低。废热在热容激光介质中的淀积是压应力，而传统激光器为张应力。理论分析表明:压应力的破坏阈值为张应力的5倍以上。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处,提供一种能够加快蒸气介质在轴向方向的散热速度，可进一步减轻蒸气腔横向方向的温度梯度分布的薄片型的半导体激光泵浦碱金属激光系统。以缓解DPAL工作时碱金属蒸气腔内温度梯度分布的问题。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到,一种薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统,包括泵浦光线宽压窄系统、泵浦光束匀化准直系统、碱金属蒸气腔、碱金属蒸气温度控制系统、泵浦光反射系统和激光器谐振腔,其特征在于：在薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统中，半导体激光光源1经过泵浦光线宽压窄系统，采用布拉格体光栅2将半导体激光谱线宽度压窄至蒸气腔内碱金属原子吸收线宽的量级，实现两者线宽的匹配，半导体激光通过泵浦光束匀化准直系统耦合进入充有碱金属介质和缓冲气体的碱金属蒸气腔，泵浦光束匀化准直系统匀化泵浦光的空间光强；泵浦光反射系统将未被吸收的泵浦光多次反射回碱金属蒸气腔，碱金属蒸气温度控制系统紧挨碱金属蒸气腔后端面，采用平面、大面积的温控方式加快轴向方向的热传递，减小蒸气腔轴向方向的温度梯度分布，激光在激光器谐振腔内振荡输出激光。
进一步的，碱金属蒸气腔前后端面均进行镀膜处理。
进一步的，泵浦光线宽压窄系统为平面全息光栅或布拉格体光栅。
进一步的，泵浦光束匀化准直系统为透镜和匀化导光管的组合。
进一步的，碱金属蒸气腔的蒸气介质在轴向方向的厚度在1厘米以下
进一步的，碱金属蒸气腔内充入的缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷等气体，或者为上述气体的混合气体。
进一步的，碱金属蒸气温度控制系统采用热能转换器(TEC)及相应的控制电路。
进一步的，泵浦光反射系统为反射膜层或者为反射镜或者为折叠镜和反射镜的组合。
本发明具有以下有益效果:
(1)本发明利用均匀强度泵浦和薄片增益介质的设计，半导体激光光源经过泵浦光线宽压窄系统和泵浦光束匀化准直系统后耦合进入碱金属蒸气腔内。碱金属蒸气腔内充入碱金属介质和缓冲气体，匹配了压窄的泵浦线宽和碱金属原子的吸收线宽，可有效的减缓DPAL工作时管腔内介质纵向和横向温度梯度分布，减轻了DPAL的热效应，有利于高功率、高光束质量的激光输出。
(2)本发明将泵浦光多次反射入增益介质内，可实现对泵浦光的充分吸收，提高了激光工作效率。碱金属蒸气温度控制系统紧挨碱金属蒸气腔后端面，通过精准的温度控制来减轻蒸气腔轴向方向的温度梯度分布，保证了薄片DPAL激光的稳定输出。
(3)本发明碱金属蒸气温度控制系统采用平面、大面积的温控方式，结构简单、温控效果好。温度控制相对管腔而言属于大面积温控，可使得碱金属管腔内增益介质温度分布更加均匀、精准。可实现对管腔径向方向进行均匀加热或冷却，有利于减小管腔内径向方向的温度梯度分布。
(4)本发明可解决常规DPAL里泵浦光与激光的模式匹配效率不高的问题，具有较高的工作效率。泵浦光反射系统将未被吸收的泵浦光多次反射回碱金属蒸气管腔，可确保在较短增益介质长度情况下碱金属蒸气对泵浦光的充分吸收，提高了激光工作效率。解决了增益介质较短所造成的增益介质对泵浦光单程吸收能力有限的问题。
(5)本发明在薄片型半导体激光泵浦碱金属激光器DPAL中，泵浦光线宽压窄系统将提高增益介质对泵浦的吸收效率，并采用端面温控的结构。大大缓解碱金属蒸气激光器在侧面温控时，由于碱金属蒸气腔管腔内径向温差所导致的腔内中心粒子数密度低于边缘粒子数密度的问题。
(6)本发明根据具体使用需求，可以灵活的采用不同实施方案，构建V型或其他形式激光谐振腔以获得大模体积或基模输出、对多个碱金属管腔串接以获得更高的输出功率。
泵浦光束匀化准直系器将泵浦光强在空间上进行匀化，以实现增益介质在轴向方向对泵浦的均匀吸收，同时可减小管腔径向方向的温度梯度分布。
本发明利用较短的轴向增益介质长度来加快蒸气介质在轴向方向的散热速度，达到减轻蒸气腔内轴向温度梯度的分布。系统中的增益介质长度小于常见的DPAL增益介质长度，控制在1厘米以下。
本发明可减小碱金属蒸气激光器的热透镜效应、减小蒸气腔内轴向和横向的温度梯度的分布、提高碱金属蒸气激光器的输出稳定性和输出光束质量，可应用于高功率半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器。
附图说明
图1是本发明薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统构造原理图。
图2是本发明碱金属蒸气管腔的结构示意图。
图3是碱金属原子的能级结构示意图。
图中：1半导体激光光源、2布拉格体光栅、3发散角控制光学透镜组、4导光管匀化器、5望远光学透镜组、6偏光立方体分光镜、7碱金属蒸气腔、8TEC温控器、9激光器谐振腔输出镜。
具体实施方式
参阅图1。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。为了缓解DPAL中碱金属管腔内温度梯度分布的问题，本发明提供了一种薄片型的DPAL。
薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统包括：泵浦光线宽压窄系统、泵浦光束匀化准直系统、碱金属蒸气腔、碱金属蒸气温度控制系统、泵浦光反射系统和激光器谐振腔。在薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统中，半导体激光光源1经过泵浦光线宽压窄系统采用布拉格体光栅2将半导体激光谱线宽度进行压窄至蒸气腔内碱金属原子吸收线宽的量级，通过泵浦光束匀化准直系统耦合进入充有碱金属介质和缓冲气体的碱金属蒸气腔，以匹配泵浦线宽和碱金属原子的吸收线宽，泵浦光束匀化准直系统匀化泵浦光；泵浦光反射系统将未被吸收的泵浦光多次反射回碱金属蒸气腔，碱金属蒸气温度控制系统紧挨碱金属蒸气腔后端面，采用平面、大面积的温控方式加快轴向方向的热传递，减小蒸气腔轴向方向的温度梯度分布，激光在激光器谐振腔内振荡输出激光。
碱金属蒸气腔7是本发明的核心器件，蒸气腔内的蒸气介质在轴向方向的厚度小于1厘米，以加快轴向方向的热传递，减小温度梯度分布。碱金属蒸气腔7腔内充入增益介质和缓冲气体。所述的增益介质为碱金属蒸气介质，缓冲气体包括氦气、甲烷、乙烷或者为上述气体的混合气体。
泵浦光线宽压窄系统为平面全息光栅或布拉格体光栅，它包括半导体激光光源1和布拉格体光栅2。为提高增益介质对泵浦光的吸收效率，布拉格体光栅2将半导体激光谱线宽度进行压窄，将半导体激光谱线宽压窄至与碱金属蒸气吸收线宽相匹配的线宽量级。实际中，半导体激光光源1和布拉格体光栅2之间可添加快轴准直镜来压缩半导体激光快轴方向的发散角，快轴准直镜与半导体激光光源1前端的距离应被为毫米量级。
泵浦光束匀化准直系统为透镜和匀化导光管的组合，它包括：位于布拉格体光栅2与导光管匀化器4之间的发散角控制光学透镜组3、光管匀化器4、位于导光管匀化器4下方管端与偏光立方体分光镜6之间的望远光学透镜组5，其中，发散角控制光学透镜组3由轴向平行的柱面透镜组构成，其主要目的是将半导体激光快轴和慢轴方向的发散角调整一致。来自半导体激光光源1的泵浦光轴向通过布拉格体光栅2和发散角控制光学透镜组3，经过导光管匀化器4后在空间上的光强均匀分布，通过望远光学透镜组5下方的偏光立方体分光镜6折射至碱金属蒸气腔7，偏光立方体分光镜6将泵浦光反射进入碱金属蒸气腔7的金属蒸气管腔，可实现对碱金属蒸气腔7腔体内增益介质的均匀泵浦。望远光学透镜组5可调整泵浦光在碱金属蒸气管腔上的面积大小。
碱金属蒸气温度控制系统由TEC温度控制器8及其控制电路组成，TEC温度控制8紧贴于碱金属蒸气管腔7管端的A端面，以实现精细的温控。根据实际需要，可在TEC温度控制器8和碱金属蒸气管腔7金属蒸气管腔之间添加高效传热的热沉。TEC温控器的温控面积不小于泵浦光投影在蒸气管腔7的A端面上的面积，TEC温度控制器8在工作时通过加热或降温的方式使碱金属蒸气管腔7金属蒸气管腔内气体的温度保持稳定。
激光器谐振腔由位于碱金属蒸气腔7管端A与通过偏光立方体分光镜6激光器谐振腔输出镜9之间的空间构成，激光在谐振腔内振荡并从谐振腔输出镜9方向输出。
泵浦光反射系统由碱金属蒸气腔7管端A端面所镀的高反射膜构成，或为反射膜层、反射镜、折叠镜和反射镜的组合，其作用是将未被完全吸收的泵浦光反射回碱金属蒸气管腔内，以实现碱金属蒸气腔7腔体内增益介质对泵浦能量的充分的吸收。根据实际需要，泵浦光反射系统还可设计为多次往返经过碱金属蒸气腔7增益介质的结构。所述的增益介质为碱金属蒸气介质。
为了便于说明，仅示出了与本发明薄片型DPAL的结构实施例相关的部分：
本发明的薄片型的半导体激光泵浦碱金属激光系统主要包括同一垂直在水平光轴上依次排布的半导体激光光源1、布拉格体光栅2、发散角控制光学透镜组3、导光管匀化器4、望远光学透镜组5和偏光立方体分光镜6，以及沿水平光轴分布在偏光立方体分光镜6两边紧挨碱金属蒸气腔7的A端面的TEC温控器8和激光器谐振腔输出镜9。半导体激光光源1发出的泵浦光依次经过布拉格体光栅2、发散角控制光学透镜组3、导光管匀化器4、望远光学透镜组5后经偏光立方体分光镜6的45度斜面角反射,从碱金属蒸气腔7的B端面进入碱金属蒸气腔7,未被完全吸收的泵浦光在碱金属蒸气腔7蒸气腔A端面高反射膜的作用下再次进入碱金属蒸气腔7，对泵浦光进行二次吸收。在碱金属蒸气腔7和激光器谐振腔输出镜9之间可以加入偏振片、调Q器件、非线性晶体等其他光学器件。
本发明的半导体激光泵浦薄片型碱金属激光系统包括泵浦光线宽压窄系统、泵浦光束匀化准直系统、碱金属蒸气腔、碱金属蒸气温度控制系统、泵浦光反射系统和激光器谐振腔。
图2为碱金属蒸气腔的结构示意图。为实现高效均匀的散热，蒸气腔的增益介质厚度应保持在1厘米以下。蒸气腔的A端面镀上泵浦和激光波长的高反射率膜，B端面镀上泵浦和激光波长的高透过率膜以降低泵浦光和激光的损耗。

Claims (10)

1.一种薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统,包括泵浦光线宽压窄系统、泵浦光束匀化准直系统、碱金属蒸气腔、碱金属蒸气温度控制系统、泵浦光反射系统和激光器谐振腔,其特征在于：在薄片型半导体激光泵浦碱金属激光器DPAL中，半导体激光光源1经过泵浦光线宽压窄系统，采用布拉格体光栅(2)将半导体激光谱线宽度压窄至蒸气腔内碱金属原子吸收线宽的量级，实现两者线宽的匹配，半导体激光通过泵浦光束匀化准直系统耦合进入充有碱金属介质和缓冲气体的碱金属蒸气腔，泵浦光束匀化准直系统匀化泵浦光的空间光强；泵浦光反射系统将未被吸收的泵浦光多次反射回碱金属蒸气腔，碱金属蒸气温度控制系统紧挨碱金属蒸气腔后端面，采用平面、大面积的温控方式加快轴向方向的热传递，减小蒸气腔横向方向的温度梯度分布，激光在激光器谐振腔内振荡输出激光。
2.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：碱金属蒸气腔(7)的蒸气介质在轴向方向的厚度小于1厘米。
3.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：碱金属蒸气腔内充入增益介质和缓冲气体，所述的增益介质为碱金属蒸气介质，缓冲气体包括氦气、甲烷、乙烷或者为上述气体的混合气体。
4.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：泵浦光线宽压窄系统为平面全息光栅或布拉格体光栅，它包括半导体激光光源(1)和布拉格体光栅(2)。
5.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：泵浦光束匀化准直系统为透镜和匀化导光管的组合，它包括：位于布拉格体光栅(2)与导光管匀化器(4)之间的发散角控制光学透镜组(3)、位于导光管匀化器(4)下方管端与偏光立方体分光镜(6)之间的望远光学透镜组(5)，其中，发散角控制光学透镜组(3)由轴向平行的柱面透镜组构成。
6.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：碱金属蒸气温度控制系统由TEC温度控制器(8)及其控制电路组成，TEC温度控制器(8)紧贴于碱金属蒸气管腔(7)管端的A端面，以实现精细的温控，其中TEC温控器的温控面积不小于泵浦光投影在蒸气管腔(7)的A端面上的面积。
7.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：泵浦光反射系统由碱金属蒸气腔(7)管端A端面所镀的反射膜层构成，或为反射膜层、反射镜、折叠镜和反射镜的组合。
8.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：激光器谐振腔由位于碱金属蒸气腔(7)管端A与通过偏光立方体分光镜(6)激光器谐振腔输出镜(9)之间的空间构成，激光在谐振腔内振荡并从谐振腔输出镜(9)方向输出。
9.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统包括同一垂直在水平光轴上依次排布的半导体激光光源(1)、布拉格体光栅(2)、发散角控制光学透镜组(3)、导光管匀化器(4)、望远光学透镜组(5)和偏光立方体分光镜(6)，以及沿水平光轴分布在偏光立方体分光镜(6)两边紧挨碱金属蒸气腔(7)的后端面的TEC温控器(8)和激光器谐振腔输出镜(9)，半导体激光光源(1)发出的泵浦光依次经过布拉格体光栅(2)、发散角控制光学透镜组(3)、导光管匀化器(4)、望远光学透镜组(5)后经偏光立方体分光镜(6)的45度斜面角反射,从碱金属蒸气腔(7)的B端面进入碱金属蒸气腔7,未被完全吸收的泵浦光在碱金属蒸气腔7蒸气腔后端面高反射膜的作用下再次进入碱金属蒸气腔(7)，对泵浦光进行二次吸收。
10.如权利要求9所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于：来自半导体激光光源(1)的泵浦光轴向通过布拉格体光栅(2)和发散角控制光学透镜组(3)，经过导光管匀化器(4)后在空间上的光强均匀分布，通过望远光学透镜组(5)下方的偏光立方体分光镜(6)将泵浦光反射进入碱金属蒸气腔(7)的金属蒸气管腔，实现对碱金属蒸气腔(7)腔体内增益介质的均匀泵浦。
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