CN106898937A - 半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，包括n个半导体泵浦源、m个碱金属蒸气室和一谐振腔，该碱金属激光器还包括n个转向元件，与n个半导体泵浦源一一对应，用于分别改变n个半导体泵浦源发出的泵浦光的传播方向；不管n个转向元件如何设置，n个半导体泵浦源发出的泵浦光在m个碱金属蒸气室中最终为近轴光；其中，n、m为自然数。上述n个半导体泵浦源发出的泵浦光经对应的转换元件改变传播方向后，会聚点分别位于碱金属蒸气室内的不同位置。本发明通过多半导体激光泵浦模块侧面耦合的方式实现大焦深，充分利用碱金属蒸气室内的碱金属蒸气原子，实现更好的模式匹配，因此可以实现多泵浦模块的级联使用，实现高功率输出。

Description

半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，更具体地涉及一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器。
背景技术
DPAL(半导体泵浦碱金属蒸气激光器)是一种增益介质为蒸气状态碱金属的新型光泵浦气体激光器，增益介质的温度通常为100～200℃。DPAL的增益介质主要为蒸气状态的钾、铷或铯，其能级结构如图1所示。n是最外层电子所在电子层数，K、Rb、Cs对应的n分别为4、5、6。nS1/2为基态能级，nP1/2和nP3/2为最外层电子自旋-轨道相互作用而劈裂产生的激发态能级。由基态至两上能级的跃迁分别对应于D1和D2线。
DPAL激光器首先于2003年实现了碱金属激光器D1线的激光输出。DPAL采用对应D2线波长的泵浦源泵浦，具有95％以上的量子效率，且增益介质是气体，热透镜效应不明显。因此，DPAL被认为是一种有望实现单口径MW级激光输出的新型激光器。其在高功率输出方面的潜力也得到了国内外众多高功率激光器研发机构的关注。
目前常用的轴向泵浦结构如图2所示。半导体激光器输出的泵浦光，经过光束整形之后被聚焦透镜聚焦，经由镀有对泵浦光全透、对发射激光全反的双色膜腔镜进入碱金属激光器谐振腔内。泵浦光焦斑位于碱金属蒸气室中心位置处。碱金属蒸气室中碱金属原子在泵浦光的泵浦作用下形成增益，在激光谐振腔的谐振放大作用下，产生并输出激光。此结构有效增益主要形成于焦斑附近位置处，因此不能对腔模内的碱金属原子进行有效利用，大大降低了激光的输出效率；再者，此结构仅适用于使用单个半导体激光泵浦模块进行泵浦，难以实现多泵浦模块的级联使用，从而难以实现DPAL的高功率输出。
另外一种常用泵浦结构为侧面泵浦，常用的泵浦结构如图3所示。激光头四个侧面分别留有激光窗口和泵浦窗口。使整形后的泵浦光由泵浦光窗口入射，在谐振腔方向输出激光。此结构很难获得较好的模式匹配，从而导致激光器光光效率低下。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提出一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，用于解决以上技术问题的至少之一。
为了达到上述目的，本发明提出一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，包括n个半导体泵浦源、m个碱金属蒸气室和一谐振腔，该碱金属激光器还包括n个转向元件，与n个半导体泵浦源一一对应，用于分别改变n个半导体泵浦源发出的泵浦光的传播方向；不管n个转向元件如何设置，n个半导体泵浦源发出的泵浦光在m个碱金属蒸气室中最终为近轴光；其中，n、m为自然数。
进一步地，上述n个半导体泵浦源发出的泵浦光经对应的转换元件改变传播方向后，会聚点分别位于m个碱金属蒸气室内的不同位置。
进一步地，上述n个转向元件为偏振分光棱镜、中心有孔的平面反射镜、中心有孔的凹面反射镜和镀有双色膜的平面反射镜的任意组合。
进一步地，上述转向元件的主体材料为对近红外激光吸收率低于1％、透过率大于98％的材料。
进一步地，上述n个转向元件的位置为位于m个碱金属蒸气室的内部、左侧和右侧的任意组合。
进一步地，上述碱金属蒸气室为1个，转向元件为3个，其中2个转向元件位于碱金属蒸气室内部，1个转向元件位于碱金属蒸气室的左侧或右侧。
进一步地，上述碱金属蒸气室为1个，转向元件为5个，该5个转向元件均位于所述碱金属蒸气室内。
进一步地，上述碱金属蒸气室为1个，转向元件为4个，其中2个转向元件位于碱金属蒸气室内，2个转向元件分别位于碱金属蒸气室的两侧。
进一步地，上述碱金属蒸汽室为2个，转向元件为8个，其中2个转向元件位于一碱金属蒸气室内，2个转向元件位于另一碱金属蒸气室内，4个转向元件分别位于2个碱金属蒸气室的两侧。
进一步地，上述n个半导体泵浦源为环形激光器、Bar条或叠阵激光器。
本发明提出的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器具有以下有益效果：
1、本发明提出的结构，可以通过多个半导体激光泵浦模块侧面耦合的方式，实现了泵浦源在纵向方向的叠加和多泵浦模块的级联使用，从而实现DPAL的高功率输出；
2、本发明提出的结构，通过转向元件，使泵浦光成为近轴光，且转换成的近轴光的焦点位置处于碱金属蒸气室内的不同位置，从而实现大焦深，充分利用碱金属蒸气室内的碱金属蒸气原子，保证更长的增益长度，实现更好的模式匹配；
3、本发明提出的激光器由于采用平面镜等光束转向元件，与采用镀双色膜的耦合入腔方案相比，耦合元件具有很高的抗损伤特性，可应用于高功率输出的场景；
4、本发明中单个元件的加工难度低，降低了系统的复杂程度。
附图说明
图1是碱金属蒸气激光器的能级结构图；
图2是典型的轴向泵浦碱金属蒸气激光器的结构示意图；
图3是典型的侧面泵浦碱金属蒸气激光器的结构示意图；
图4是本发明实施例1中提出的侧面耦合轴向泵浦的碱金属蒸气激光器的结构示意图；
图5是本发明实施例2中提出的侧面耦合轴向泵浦的碱金属蒸气激光器的结构示意图；
图6是本发明实施例3中提出的侧面耦合轴向泵浦的碱金属蒸气激光器的结构示意图；
图7是本发明实施例4中提出的侧面耦合轴向泵浦的碱金属蒸气激光器的结构示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，包括n个半导体泵浦源、m个碱金属蒸气室和一谐振腔，该碱金属激光器还包括n个转向元件，与n个半导体泵浦源一一对应，用于分别改变n个半导体泵浦源发出的泵浦光的传播方向；不管n个转向元件如何设置，n个半导体泵浦源发出的泵浦光在m个碱金属蒸气室中最终为近轴光；其中，n、m为自然数。
上述n个转向元件为偏振分光棱镜、中心有孔的平面反射镜、中心有孔的凹面反射镜和镀有双色膜的平面反射镜的任意组合。
优选地，上述转向元件的主体材料为对近红外激光吸收率低于1％、透过率大于98％的材料，该主体材料主要应用于上述转向元件的反射面。
上述n个半导体泵浦源发出的泵浦光经对应的转换元件改变传播方向后，会聚点分别位于m个碱金属蒸气室内的不同位置，目的是保证在m个碱金属蒸气室内传播的泵浦光不会完全重合，从而保证更长的增益长度，充分利用碱金属蒸气室内的碱金属原子，实现更好的模式匹配。
上述n个转向元件位于每个碱金属蒸气室的内部、左侧和右侧的任意组合。
优选地，上述碱金属蒸气室为1个，转向元件为3个，其中2个转向元件位于碱金属蒸气室内部，1个转向元件位于碱金属蒸气室的左侧或右侧。
优选地，上述碱金属蒸气室为1个，转向元件为5个，该5个转向元件均位于碱金属蒸气室内。
优选地，上述碱金属蒸气室为1个，转向元件为4个，其中2个转向元件位于碱金属蒸气室内，2个转向元件分别位于碱金属蒸气室的两侧。
优选地，上述碱金属蒸汽室为2个，转向元件为8个，其中2个转向元件位于一碱金属蒸气室内，2个转向元件位于另一碱金属蒸汽室内，4个转向元件分别位于2个碱金属蒸气室的两侧。
优选地，上述n个半导体泵浦源为环形激光器、Bar条或叠阵激光器。
实际使用时，泵浦光由放置在光轴上的转向元件进行反射进入碱金属蒸气室，通过调节转向元件的位置及其与光轴的角度，可保证被反射后的泵浦光入射至碱金属蒸气室内腔模的不同位置，从而保证更长的增益长度，充分利用碱金属蒸气室内的碱金属原子，实现更好的模式匹配。
由于上述结构可采用多个半导体泵浦源进行泵浦，因此可以实现多泵浦模块的级联使用，实现高功率输出。
为了使半导体泵浦源排布更加紧密，本发明中的转向元件可在沿光轴放置的同时使其反射面依次沿光轴旋转一定角度，具体的放置方案需以在保证模式匹配的基础上实现最大半导体泵浦源排布为原则。相应的，横向的半导体激光器可在光轴方向呈螺旋形排布，以期获得更大的增益长度。
以下通过具体实施例对本发明提出的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦碱金属激光器进行详细描述。
实施例1
如图4所示，本实施例提出一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，包括3个半导体泵浦源1、1个碱金属蒸气室2和谐振腔，还包括3个转向元件5，3个转向元件5与3个半导体泵浦源1一一对应，用于分别改变3个半导体泵浦源发出的泵浦光的传播方向；3个半导体泵浦源发出的泵浦光在碱金属蒸气室2中最终为近轴光。
其中，谐振腔包括一反射镜3和一输出耦合镜4，所述碱金属蒸气室2置于反射镜3和输出耦合镜4之间；3个转向元件5采用中心有孔的全反凹面镜，其中心孔的直径大于谐振腔腔模的大小，其中2个转向元件置于碱金属蒸气室和输出耦合镜之间，1个转向元件置于碱金属蒸气室内；3个半导体泵浦源1采用环形半导体激光器，其位置与3个转向元件一一对应，根据3个转向元件的焦距，调节3个转向元件的位置，以使半导体泵浦源发射的泵浦光经转向元件反射和聚焦后，焦点位于碱金属蒸气室内腔模的不同位置。
本实施例中的泵浦光转向元件还可为偏振分光棱镜(PBS)、中心有孔平面反射镜等。
实施例2
如图5所示，本实施例提出一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，包括5个半导体泵浦源1、1个碱金属蒸气室2和谐振腔，还包括5个转向元件5，5个转向元件5与5个半导体泵浦源1一一对应，用于分别改变5个半导体泵浦源发出的泵浦光的传播方向；5个半导体泵浦源发出的泵浦光在碱金属蒸气室2中最终为近轴光。
其中，谐振腔包括一反射镜3和一输出耦合镜4，所述碱金属蒸气室2置于反射镜3和输出耦合镜4之间；5个转向元件5采用中心有孔的全反凹面镜，其中心孔的直径大于谐振腔腔模的大小，5个转向元件5置于碱金属蒸气室内；5个半导体泵浦源1采用环形半导体激光器，其位置与5个转向元件一一对应，根据5个转向元件的焦距，调节5个转向元件的位置，以使半导体泵浦源发射的泵浦光经转向元件反射和聚焦后，焦点位于碱金属蒸气室内腔模的不同位置。
本实施例中的泵浦光转向元件还可为偏振分光棱镜(PBS)、中心有孔平面反射镜等。
实施例3
如图6所示，本实施例提出一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，包括4个半导体泵浦源1、1个碱金属蒸气室2和谐振腔，还包括4个转向元件5，4个转向元件5与4个半导体泵浦源1一一对应，用于分别改变4个半导体泵浦源发出的泵浦光的传播方向；4个半导体泵浦源发出的泵浦光在碱金属蒸气室2中最终为近轴光。。
其中，谐振腔包括一反射镜3和一输出耦合镜4，所述碱金属蒸气室置于反射镜3和输出耦合镜4之间；4个转向元件5采用中心有孔的全反凹面镜，其中心孔的直径大于谐振腔腔模的大小，其中2个转向元件5置于碱金属蒸气室内，1个置于反射镜和碱金属蒸气室之间，另1个置于输出耦合镜和碱金属蒸气室之间；4个半导体泵浦源1采用环形半导体激光器，其位置与4个转向元件一一对应，根据4个转向元件的焦距，调节4个转向元件的位置，以使半导体泵浦源发射的泵浦光经转向元件反射和聚焦后，焦点位于碱金属蒸气室内腔模的不同位置。
本实施例中的泵浦光转向元件还可为偏振分光棱镜(PBS)、中心有孔平面反射镜等。
实施例4
如图7所示，本实施例提出一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，包括8个半导体泵浦源1、2个碱金属蒸气室2和谐振腔，还包括8个转向元件5，8个转向元件5与8个半导体泵浦源1一一对应，用于分别改变8个半导体泵浦源发出的泵浦光的传播方向；8个半导体泵浦源发出的泵浦光在2个碱金属蒸气室2中最终为近轴光。。
其中，谐振腔包括一反射镜3和一输出耦合镜4，所述2个蒸气室置于反射镜3和输出耦合镜4之间；8个转向元件5采用中心有孔的全反凹面镜，其中心孔的直径大于谐振腔腔模的大小，其中2个转向元件5置于第一碱金属蒸气室与第二碱金属蒸气室之间，1个置于输出耦合镜与第二碱金属蒸气室之间，另1个置于反射镜与第一碱金属蒸气室之间；2个置于第一碱金属蒸气室内部；2个置于第二碱金属蒸气室内部；8个半导体泵浦源1采用环形半导体激光器，其位置与8个转向元件一一对应，根据8个转向元件的焦距，调节8个转向元件的位置，以使半导体泵浦源发射的泵浦光经转向元件反射和聚焦后，焦点位于碱金属蒸气室内腔模的不同位置，以实现双端泵浦。
本实施例中的泵浦光转向元件还可为偏振分光棱镜(PBS)、中心有孔平面反射镜等。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，包括n个半导体泵浦源、m个碱金属蒸气室和一谐振腔，其特征在于，还包括n个转向元件，与所述n个半导体泵浦源一一对应，用于分别改变所述n个半导体泵浦源发出的泵浦光的传播方向；不管所述n个转向元件如何设置，所述n个半导体泵浦源发出的泵浦光在所述m个碱金属蒸气室中最终为近轴光；其中，n、m为自然数。
2.如权利要求1所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述n个半导体泵浦源发出的泵浦光经对应的转换元件改变传播方向后，会聚点分别位于所述m个碱金属蒸气室内的不同位置。
3.如权利要求1所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述n个转向元件为偏振分光棱镜、中心有孔的平面反射镜、中心有孔的凹面反射镜和镀有双色膜的平面反射镜的任意组合。
4.如权利要求3所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述转向元件的主体材料为对近红外激光吸收率低于1％、透过率大于98％的材料。
5.如权利要求1所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述n个转向元件的位置为位于所述m个碱金属蒸气室的内部、左侧和右侧的任意组合。
6.如权利要求1所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述碱金属蒸气室为1个，转向元件为3个，其中2个转向元件位于所述碱金属蒸气室内部，1个转向元件位于所述碱金属蒸气室的左侧或右侧。
7.如权利要求1所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述碱金属蒸气室为1个，转向元件为5个，所述5个转向元件均位于所述碱金属蒸气室内。
8.如权利要求1所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述碱金属蒸气室为1个，转向元件为4个，其中2个转向元件位于所述碱金属蒸气室内，2个转向元件分别位于所述碱金属蒸气室的两侧。
9.如权利要求1所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述碱金属蒸汽室为2个，转向元件为8个，其中2个转向元件位于一碱金属蒸气室内，2个转向元件位于另一碱金属蒸气室内，4个转向元件分别位于所述2个碱金属蒸气室的两侧。
10.如权利要求1所述的半导体激光器侧面耦合轴向泵浦的碱金属激光器，其特征在于，所述n个半导体泵浦源为环形激光器、Bar条或叠阵激光器。
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