CN109149327A - 一种多光束合成转动激光器及激光设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的一种多光束合成转动激光器及激光设备，属于固体激光器技术领域。该多光束合成转动激光器包括本体、激光介质、内冷却装置、外冷却装置、泵浦区、电机；激光介质、内冷却装置、外冷却装置、泵浦区和电机均设于所述本体内；所述电机均固定安装在所述本体内，所述电机的输出轴与所述激光介质连接；所述内冷却装置设于所述激光介质的内表面，所述外冷却装置设于所述激光介质的外表面；所述激光介质用于吸收泵浦光，从而对由激光种子源分离并注入至所述激光介质的各子光束进行功率放大。以减小增益介质热负载及热负载分布的不均匀性，从而提升激光器光束质量和远场亮度水平。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光器技术领域，具体而言，涉及一种多光束合成转动激光器及激光设备。
背景技术
激光二极管泵浦固体激光器具有结构紧凑、体积小巧、电力驱动、无污染、成本低廉等诸多优势，在工业、军事、科研和医疗等领域有着广泛的应用需求。随着固体激光器输出功率的增大，激光介质的热负载越来越大，导致单口径输出固体激光器的亮度水平受限，而且，激光介质热分布的不均匀性会进一步影响输出激光的亮度水平与光束质量，从而限制了固体激光器的进一步应用。目前的散热技术主要通过优化冷却流道设计实现对固体激光器增益介质的散热，然而由于泵浦源强度分布的不均匀性以及增益介质散热的边界条件，导致增益介质必然出现二维或三维温度梯度分布，严重影响了固体激光器输出激光的亮度水平与光束质量。
多光束合成技术是实现激光器亮度扩展的有效途径，目前的多光束合成技术主要是将各子光束激光通过对应的增益系统分别放大后，利用各子光束激光传播特性和相位控制技术，实现多光束远场的相干合成，或者利用各子光束激光传输特性实现多光束远场的非相干合成，从而扩展单个激光器在远场的亮度水平。固体激光器具有高亮度水平输出的潜力，而采用现有的方法实现多光束合成必然导致激光装置体积庞大，不利于实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多光束合成转动激光器及激光设备，可以解决上述技术问题。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种多光束合成转动激光器，其包括本体、激光介质、内冷却装置、外冷却装置、泵浦区、电机；所述激光介质、所述内冷却装置、所述外冷却装置、所述泵浦区和所述电机均设于所述本体内；所述电机均固定安装在所述本体内，所述电机的输出轴与所述激光介质连接，用于驱动所述激光介质匀速转动；所述内冷却装置设于所述激光介质的内表面，所述外冷却装置设于所述激光介质的外表面；所述激光介质用于吸收泵浦光，从而对由激光种子源分离并注入至所述激光介质的各子光束进行功率放大；所述内冷却装置和所述外冷却装置用于对所述激光介质进行散热；所述泵浦区用于固定泵浦源，为所述激光介质提供泵浦。
在本发明较佳的实施例中，上述泵浦区设于所述外冷却装置与所述本体之间。
在本发明较佳的实施例中，上述泵浦区设于所述内冷却装置的内侧。
在本发明较佳的实施例中，上述激光介质包括激光介质端帽、齿轮和激光增益介质，所述齿轮设于所述激光介质端帽上；所述激光介质端帽，用于为所述激光介质提供夹持固定密封以及确定所入射的各子光束激光的传播路径；所述齿轮与所述电机的输出端啮合，所述齿轮用于在所述电机的驱动下驱动所述激光介质匀速转动；所述激光增益介质用于吸收所述泵浦源所发出的泵浦光并将入射的子光束激光进行功率放大。
在本发明较佳的实施例中，上述激光介质端帽、所述齿轮和所述激光增益介质一体成型。
在本发明较佳的实施例中，上述激光介质端帽为内角锥结构或外角锥结构。
在本发明较佳的实施例中，上述内冷却装置包括内层冷却介质通道、内层旋转密封圈、内冷却层壳体以及填充于激光介质内壁与内冷却层壳体间的冷却介质；所述内层冷却介质通道与外部冷却系统连接，所述内层冷却介质通道设于所述内冷却层壳体内，所述内冷却层壳体通过所述内层旋转密封圈与所述激光介质的内壁连接。
在本发明较佳的实施例中，上述外冷却装置包括外层冷却介质通道、外层旋转密封圈、外冷却层壳体以及填充于激光介质外壁与外冷却层壳体间的冷却介质；所述外层冷却介质通道与外部冷却系统连接，所述外层冷却介质通道设于所述外冷却层壳体内，所述外冷却层壳体通过所述外层旋转密封圈与所述激光介质的外壁连接。
在本发明较佳的实施例中，上述本体包括激光器外壳和激光支撑结构，所述激光器外壳盖合在所述激光支撑结构上；所述电机固定安装在所述激光支撑结构上，所述激光介质、所述内冷却装置、所述外冷却装置、所述泵浦区和所述电机均位于所述激光器外壳与所述激光支撑结构形成的容腔内。
第二方面，本发明实施例提供一种激光设备，其包括如第一方面任意一项所述的多光束合成转动激光器。
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例提供了一种多光束合成转动激光器及激光设备，通过设置本体、激光介质、内冷却装置、外冷却装置、泵浦区、电机，从而在由同一种激光种子源分离的多束子光束激光按照一定的空间分布入射至激光介质后，通过电机驱动激光介质相对于泵浦源匀速转动，使得固定于泵浦区的泵浦源始终只对激光介质的小部分区域进行泵浦，从而使激光介质的热负载分布更均匀并有效降低激光介质的热负载，同时采用内冷却装置、所述外冷却装置、或内外冷却装置同时冷却的方法对激光介质进行散热，可有效提高激光介质的散热能力，从而提高多光束合成转动激光器各子光束激光的输出亮度，以及多光束合成转动激光器远场激光亮度水平。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的一种多光束合成转动激光器的结构示意图；
图2为图1所示的一种多光束合成转动激光器中的本体的结构示意图；
图3为图1所示的一种多光束合成转动激光器中的一种激光介质的结构示意图；
图4为图1所示的一种多光束合成转动激光器中的一种激光介质的端帽的结构示意图；
图5为图1所示的一种多光束合成转动激光器中的一种激光介质的横截面的结构示意图；
图6为图1所示的一种多光束合成转动激光器中的冷却功能的结构示意图；
图7为图1所示的一种多光束合成转动激光器中的一种泵浦功能的结构示意图；
图8为图4所示端帽结构的一种泵浦结构示意图；
图9为图4所示端帽结构的另一种泵浦结构示意图。
图标：100－多光束合成转动激光器；110－本体；120－激光介质；130－内冷却装置；140－外冷却装置；150－泵浦区；160－电机；111－激光器外壳；112－激光支撑结构；121－激光介质端帽；122－齿轮；123－激光增益介质；124－激光介质内壁；125－激光介质外壁；126－子光束激光放大区；131－内层冷却介质通道；132－内层旋转密封圈；133－内冷却层壳体；141－外层冷却介质通道；142－外层旋转密封圈；143－外冷却层壳体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参照图1至图9，本实施例提供一种多光束合成转动激光器100，其包括本体110、激光介质120、内冷却装置130、外冷却装置140、泵浦区150和电机160。
在本实施例中，所述本体110用于为所述激光介质120、内冷却装置130、外冷却装置140、泵浦区150和电机160提供一个容纳介质，以及用于固定电机160。
作为一种实施方式，所述本体110包括激光器外壳111和激光支撑结构112。
其中，所述激光器外壳111盖合在所述激光支撑结构112上；所述电机160固定安装在所述激光支撑结构112上，激光介质120、内冷却装置130、外冷却装置140、泵浦区150均位于所述激光器外壳111与所述激光支撑结构112形成的容腔a内，如图2所示。
可选地，所述激光器外壳111可以是凹形外壳，其中，凹形外壳的两个侧边C分别与所述激光支撑结构112连接，从而形成容腔a，如图2所示。
可选地，所述激光支撑结构112的形状与所述激光器外壳111匹配。例如，所述激光器外壳111与所述激光支撑结构112所形成的形状可以是矩形(如长方体或正方体，其中长方体或正方体中只包括两组任意两个正对的面，从而形成一个通道，该通道用于设置激光介质120、内冷却装置130、外冷却装置140、泵浦区150和电机160)。
在本实施例中，所述激光器外壳111与所述激光支撑结构112可拆卸连接。例如，可以通过合页或者是卡扣的方式，将所述激光器外壳111与所述激光支撑结构112连接，以形成可拆卸连接，进而使得在安装激光介质120或电机160时更加方便。
在本实施例中，激光介质120用于吸收所述泵浦区150所安装的泵浦源所发出的泵浦光，从而对由激光种子源分离并注入至所述激光介质120的各子光束进行功率放大。
可选地，入射的各子光束激光由同一种激光种子源分离得到，并经激光介质120进行功率放大，在远场实现光束的合成，从而提高远场激光功率亮度水平。
可选地，所述的光束合成指相干合成或非相干合成。
可选地，入射的各子光束激光可以是连续激光，也可以是脉冲激光。
可选地，泵浦源由LDbar条阵列、带尾纤LD阵列或光纤激光器阵列经光束整形构成。
可选地，激光介质120为圆筒状，激光介质120与电机160连接，用于在电机160的驱动下匀速转动。
可选地，圆筒状的激光介质120的内外表面镀有介质膜用以保证各子光束激光与泵浦光的传输。通过在激光介质120的内外表面镀介质膜，从而使得各子光束激光在激光介质内壁124与激光介质外壁125间全反射。
如图3所述，所述激光介质120包括激光介质端帽121、齿轮122和激光增益介质123。
激光增益介质123的材质为掺杂激光晶体材料或掺杂激光陶瓷材料。
其中，所述齿轮122设于所述激光介质端帽121与所述激光增益介质123之间。
可选地，所述激光介质端帽121，用于为所述激光介质120提供夹持固定密封以及确定所入射的各子光束激光的传输路径。
可选地，如图4所示，所述激光介质端帽121为内锥或外锥结构，各子光束激光在所述激光介质120内沿Zig－Zag路径传播，以增加各子光束激光在增益介质内传播的光程。
所述齿轮122与所述电机160的输出端啮合，所述齿轮122用于在所述电机160的驱动下驱动所述激光介质120匀速转动，即所述激光介质120相对于泵浦源匀速转动。
所述激光增益介质123用于吸收所述泵浦源所发出的泵浦光并将入射的子光束激光进行功率放大。
可选地，所述激光介质端帽121与所述激光增益介质123可以采用相同的材质，或采用不同的材质并通过键合\胶合技术构成。
可选地，所述激光介质端帽121、所述齿轮122和所述激光增益介质123一体成型。例如，所述激光介质120可以由一整块激光晶体加工完成，即所述激光介质端帽121、所述齿轮122和所述激光增益介质123由一整块激光晶体加工完成。
齿轮122位于激光介质端帽121上。当然，在实际使用中，也可以利用键合或胶和技术，将不同材质加工完成的所述激光介质端帽121、所述齿轮122和所述激光增益介质123键合或胶合在一起。
如图5所示，是利用本发明实现四束光束放大合成的具体实施例中激光介质120的激光增益介质123在某一时刻的横截面示意图，激光增益介质123的横截面由子光束激光放大区126、增益介质泵浦区G1和增益介质非泵浦区G2组成。子光束激光放大区126将入射的各子光束激光进行功率放大，增益介质泵浦区G1为泵浦源部分泵浦区域，增益介质非泵浦区G2为激光增益介质123无泵浦照射部分。在本发明多光束合成转动激光器100工作时，激光介质120相对泵浦源匀速转动，而增益介质泵浦区G1与增益介质非泵浦区G2相对于泵浦源的位置不发生变化，即增益介质泵浦区G1与增益介质非泵浦区G2是激光增益介质123的相对部分且交替变化，从而有利于使得激光增益介质123的热分布更加均匀并有效降低激光增益介质123的热负载，从而提高多光束合成转动激光器100的激光输出亮度水平和光束质量。
如图6所示，是图5所述四束光束放大合成时的冷却功能的结构示意图；在本实施例中，内冷却装置130用于对所述激光介质120的内表面进行散热。
可选地，内冷却装置130设于所述激光介质120的内表面，所述内冷却装置130包括内层冷却介质通道131、内层旋转密封圈132、内冷却层壳体133以及填充于激光介质内壁124与内冷却层壳体133间的冷却介质；所述内层冷却介质通道131与外部冷却系统连接，所述内层冷却介质通道131设于所述内冷却层壳体133内，所述内冷却层壳体133通过所述内层旋转密封圈132与所述激光介质120的内壁连接。可选地，内层冷却介质通道131略小于增益介质非泵浦区G2的大小，以减小对经增益介质泵浦区G1功率放大后各子光束激光波前的影响。
可选地，冷却介质用于对激光增益介质123进行散热，冷却介质可以是液体，也可以是气体。
在本实施例中，所述外冷却装置140与所述内冷却装置130作用相同，均用于对所述激光增益介质123进行散热。具体地，所述外冷却装置140用于对所述激光增益介质123的外表面进行散热。
所述外冷却装置140包括外层冷却介质通道141、外层旋转密封圈142、外冷却层壳体143以及填充于激光介质外壁125与外冷却层壳体143间的冷却介质；所述外层冷却介质通道141经所述激光介质120两端的激光介质端帽121与外部冷却系统连接，所述外层冷却介质通道141设于所述外冷却层壳体143内，所述外冷却层壳体143通过所述外层旋转密封圈142与所述激光介质120的外壁(即激光介质外壁125)连接。
可选地，冷却介质用于对激光介质120进行散热，冷却介质可以是液体，也可以是气体。
在本实施例中，泵浦区150用于固定泵浦源，从而对激光增益介质123进行泵浦。
可选地，泵浦源只对子光束激光经过的激光增益介质123区域进行泵浦，而对子光束激光不经过的激光增益介质123区域不进行泵浦，泵浦区域的截面积略大于子光束激光的截面积。
可选地，泵浦方式可以为端面泵浦或侧面泵浦。
作为一种实施方式，如图7所示，当采用侧面泵浦的方式时，采用内侧激光泵浦源BPY1从激光介质120内侧面泵浦照射激光增益介质123，或采用外侧激光泵浦源BPY2从激光介质120外侧照射激光增益介质123，或采用内侧激光泵浦源BPY1同时与外侧激光泵浦BPY2照射激光增益介质123，实现对各子光束激光的增益放大。
作为另一种实施方式，如图8所示，当采用端面泵浦的方式时，当激光介质120的激光介质端帽121为外锥结构时，激光泵浦源BPY3发射的泵浦光经角锥反射镜404两次全反射后，泵浦进入激光介质120，并由于激光介质端帽121的全反射作用，使泵浦光沿激光介质120的轴向传播，或在激光介质120内沿Zig－Zag路径传播，且与各子光束激光在激光介质120中的传播路径重叠。
作为另一种实施方式，如图9所示，当激光介质120的激光介质端帽121为内锥结构时，激光泵浦源BPY3发射的泵浦光直接进入激光介质120，并由于激光介质端帽121的全反射作用，使泵浦光沿激光介质120轴向传播，或在激光介质120内沿Zig－Zag路线传播，且与各子光束激光在激光介质120中的传播路径重叠。外侧激光泵浦源BPY2、内侧激光泵浦源BPY1、激光泵浦源BPY3由LD阵列、带尾纤LD或光纤激光器经光学元件整形为所需要的泵浦分布。
在本实施例中，多光束合成转动激光器100的合束分为相干合束与非相干组束，多光束合成转动激光器100相干合束的工作原理是：将一束种子源激光分离为(N+1)(N≥2)束空间分离的子光束激光，其中的1束子光束激光为参考光，其余的N束子光束为入射至多光束合成转动激光器100的子光束激光，N束子光束激光间相对于参考光束的相对相位可以调节；当N束空间分离的子光束激光经多光束合成转动激光器100功率放大后，测量放大后的N束激光相对于参考光束的相对相位差，并调节N束子光束激光的相对相位，使得放大后的N束激光的相位保持同相，由于各束激光发散角的作用，在远场实现N束激光的相干叠加，从而提高远场激光亮度水平。
其中，多光束合成转动激光器100非相干组束的基本原理是：将一束种子源激光分离为N束子光束激光，当N束空间分离的子光束激光经转动激光器功率放大后，由于各束激光发散角的作用，在远场实现N束激光的非相干叠加，从而提高远场激光亮度水平。
本实施例中的N束子光束为入射至多光束合成转动激光器100的N束空间分离的光束，其取值为正整数，其值的大小取决于单个光束的口径、激光介质120的转速以及冷却系统的散热能力。
可选地，本发明所提出的多光束合成转动激光器100适用于激光MOPA(主振荡－功率放大)结构。工作时将多束空间分离的子光束按照一定的排列方式注入激光介质120，通过激光介质120实现功率放大，并在远场实现光束的合成，从而提升远场亮度水平。
在本实施例中，所述电机160用于通过与齿轮122啮合，以驱动激光介质120进行匀速转动。
可选地，所述电机160可以是步进电机。
综上所述，本发明提供的多光束合成转动激光器100，通过在一块激光介质120上实现多束激光输出，并在远场利用光束的相干合成或非相干叠加以提高远场激光亮度水平。在泵浦时激光介质120相对于泵浦源匀速转动，使得始终只有小部分区域被泵浦并产生激光，因此可有效减小激光介质120的热负载及热负载分布的不均匀性，提高激光介质120的散热能力，从而提高激光的输出亮度水平。
需要说明的是，本实施例还提供一种激光设备，其包括上述的多光束合成转动激光器100。
当然，激光设备还可以包括激光源或者是密封保存所述多光束合成转动激光器100的箱体(例如，矩形的箱子，箱子的规格根据多光束合成转动激光器100的大小确定)等。在此，不作具体限定。
其中，激光源可以是种子源激光。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多光束合成转动激光器，其特征在于，包括：本体、激光介质、内冷却装置、外冷却装置、泵浦区和电机；
所述激光介质、所述内冷却装置、所述外冷却装置、所述泵浦区和所述电机均设于所述本体内；
所述电机均固定安装在所述本体内，所述电机的输出轴与所述激光介质连接，用于驱动所述激光介质匀速转动；
所述内冷却装置设于所述激光介质的内表面，所述外冷却装置设于所述激光介质的外表面；
所述激光介质用于吸收泵浦光，从而对由激光种子源分离并注入至所述激光介质的各子光束进行功率放大；
所述内冷却装置和所述外冷却装置用于对所述激光介质进行散热；
所述泵浦区用于固定泵浦源，为所述激光介质提供泵浦。
2.根据权利要求1所述的多光束合成转动激光器，其特征在于，所述泵浦区设于所述外冷却装置与所述本体之间。
3.根据权利要求1所述的多光束合成转动激光器，其特征在于，所述泵浦区设于所述内冷却装置的内侧。
4.根据权利要求1所述的多光束合成转动激光器，其特征在于，所述激光介质包括激光介质端帽、齿轮和激光增益介质，所述齿轮设于所述激光介质端帽上；
所述激光介质端帽，用于为所述激光介质提供夹持固定密封以及确定所入射的各子光束激光的传输路径；
所述齿轮与所述电机的输出端啮合，所述齿轮用于在所述电机的驱动下驱动所述激光介质匀速转动；
所述激光增益介质用于吸收所述泵浦源所发出的泵浦光并将入射的子光束激光进行功率放大。
5.根据权利要求4所述的多光束合成转动激光器，其特征在于，所述激光介质端帽、所述齿轮和所述激光增益介质一体成型。
6.根据权利要求4所述的多光束合成转动激光器，其特征在于，所述激光介质端帽为内角锥结构或外角锥结构。
7.根据权利要求1所述的多光束合成转动激光器，其特征在于，所述内冷却装置包括内层冷却介质通道、内层旋转密封圈、内冷却层壳体以及填充于激光介质内壁与内冷却层壳体间的冷却介质；所述内层冷却介质通道与外部冷却系统连接，所述内层冷却介质通道设于所述内冷却层壳体内，所述内冷却层壳体通过所述内层旋转密封圈与所述激光介质的内壁连接。
8.根据权利要求1所述的多光束合成转动激光器，其特征在于，所述外冷却装置包括外层冷却介质通道、外层旋转密封圈、外冷却层壳体以及填充于激光介质外壁与外冷却层壳体间的冷却介质；所述外层冷却介质通道与外部冷却系统连接，所述外层冷却介质通道设于所述外冷却层壳体内，所述外冷却层壳体通过所述外层旋转密封圈与所述激光介质的外壁连接。
9.根据权利要求1所述的多光束合成转动激光器，其特征在于，所述本体包括激光器外壳和激光支撑结构，所述激光器外壳盖合在所述激光支撑结构上；所述电机固定安装在所述激光支撑结构上，所述激光介质、所述内冷却装置、所述外冷却装置、所述泵浦区和所述电机均位于所述激光器外壳与所述激光支撑结构形成的容腔内。
10.一种激光设备，其特征在于，包括如权利要求1－9任意一项所述的多光束合成转动激光器。
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