CN110444999A - 激光器冷却液、基于受激布里渊散射的激光器及调q方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光器冷却液、基于受激布里渊散射的激光器及调Q方法，解决现有激光器冷却方式导致激光光束畸变，降低激光器光束质量的问题。激光器冷却液包括受激布里渊散射液体和分散在受激布里渊散射液体中的可饱和吸收体。基于受激布里渊散射的激光器包括激光增益池和围绕激光增益池设置的激光耦合镜、全反射镜、输出反射镜和泵浦源；激光耦合镜、全反射镜和输出反射镜之间形成谐振腔；激光增益池内设置有若干平行布置的增益介质，相邻两片增益介质之间以及增益介质与激光增益池壁面之间形成冷却液通道；冷却液通道内设置有上述冷却液。此外，本发明还提供一种基于受激布里渊散射的激光器的调Q方法，获得高光束质量的调Q脉冲激光输出。

Description

激光器冷却液、基于受激布里渊散射的激光器及调Q方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，具体涉及一种激光器冷却液、基于受激布里渊散射的激光器及调Q方法，特别涉及一种添加纳米级可饱和吸收体的冷却液及其应用的激光器，以及其调Q并激发布里渊散射实现光束畸变补偿方法。

背景技术

激光器中的增益材料被泵浦光照射激发后发热，大量的热量导致增益材料形变甚至断裂，成为制约激光器发展的关键因素之一。目前解决方法是将增益材料加工为薄片状，对薄片状增益材料的两个大表面实施双面液体冷却，从而提供更大的散热面积。此种冷却手段的冷却效果远超气体冷却的效果，比起单侧液体冷却，双面液体冷却不仅散热能力加倍，还可以避免薄片两侧温度不同引起的弯曲。但是双面液体冷却必须使激光穿过冷却液，而液体受热后对光束传播的影响远超气体，从而导致激光光束的畸变，降低激光器光束质量。

发明内容

为解决现有激光器冷却方式导致激光光束畸变，降低激光器光束质量的问题，本发明提供一种激光器冷却液、基于受激布里渊散射的激光器及调Q方法。该激光器利用受激布里渊散射介质作为冷却液，同时添加纳米可饱和吸收体，使冷却液、受激布里渊散射介质、可饱和吸收体三合一，从而能够提高激光器峰值功率和光束质量。其原理是利用其中的可饱和吸收体使激光器产生超短脉冲，提高激光峰值功率，使其足够强到可以激发冷却液的受激布里渊散射，产生相位共轭现象，补偿光束畸变，提升激光器光束质量。

本发明通过以下技术方案实现：

一种激光器冷却液，包括受激布里渊散射液体和分散在所述受激布里渊散射液体中的可饱和吸收体。

进一步地，所述受激布里渊散射液体为水、重水或四氯化碳，所述可饱和吸收体为半导体材料或拓扑绝缘体材料，且其颗粒粒径为纳米级。

进一步地，所述半导体材料为石墨烯、黑鳞、二硫化钼或二硫化钨中的任一种或多种混合物，所述拓扑绝缘体材料为Bi₂Se₃、Sb₂Te₃或Bi₂Te₃中的任一种或多种混合物。

进一步地，所述可饱和吸收体在所述冷却液中的添加量能够使所述冷却液透过率低于98％。

同时，本发明还提供一种基于受激布里渊散射的激光器，包括激光增益池和围绕激光增益池设置的激光耦合镜、全反射镜、输出反射镜和泵浦源；所述激光耦合镜、全反射镜和输出反射镜形成谐振腔；所述激光增益池内设置有若干平行布置的增益介质，相邻两片增益介质之间以及增益介质与激光增益池壁面之间形成冷却液通道；其特殊之处在于：所述冷却液通道内设置有冷却液，所述冷却液包括受激布里渊散射液体和分散在所述受激布里渊散射液体中的可饱和吸收体。

进一步地，所述可饱和吸收体在冷却液中的添加量能够使所述冷却液透过率低于98％；所述受激布里渊散射液体为水、重水或四氯化碳；所述可饱和吸收体为半导体材料或拓扑绝缘体材料，且其颗粒粒径为纳米级；所述半导体材料为石墨烯、黑鳞、二硫化钼或二硫化钨中的任一种或多种混合物，所述拓扑绝缘体材料为Bi₂Se₃、Sb₂Te₃或Bi₂Te₃中的任一种或多种混合物。

进一步地，所述增益介质垂直设置在激光增益池内或采用布儒斯特角设置在激光增益池内，当增益介质垂直设置在激光增益池内时，所述增益介质表面镀有增透膜。

进一步地，所述激光增益池的冷却液入口和冷却液出口设置有集流器，所述激光增益池与全反射镜、输出反射镜相对的壁面上设置有透明的激光窗口。

此外，本发明还提供一种基于受激布里渊散射的激光器的调Q方法，包括以下步骤：

步骤一、将可饱和吸收体加入受激布里渊散射液体中，并使其均匀分散，从而形成冷却液；

步骤二、将步骤一得到的冷却液注入激光增益池，使其在冷却液通道内流动；

步骤三、泵浦源向增益介质发出激励光源，所述增益介质吸收和储存激励光源的能量并发出自发辐射；当自发辐射在腔内振荡得到的增益大于其损耗时，自发辐射变为受激辐射，瞬间将增益介质所储存能量释放形成巨脉冲激光，并激发冷却液的受激布里渊散射对激光光束畸变产生补偿，获得高光束质量的调Q脉冲激光输出。

进一步地，步骤二中，冷却液的流速v为0<v<5m/s；步骤三中，所述泵浦源选用脉冲光源的脉宽小于等于所述增益介质材料的荧光寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过在受激布里渊散射液体添加纳米可饱和吸收体作为冷却液，以可饱和吸收体作为调Q开关，使得激光器调Q获得峰值功率放大了3～4个数量级的巨脉激光。同时，利用调Q产生的巨脉激光信号使冷却液产生受激布里渊散射，形成相位共轭补偿激光光束通过冷却液时发生的畸变，获得高质激光光束，解决了普通冷却介质光束畸变的缺陷。

附图说明

图1a为普通介质内相位同源光束畸变示意图；

图1b为相位共轭介质内相位同源光束畸变抵消示意图；

图2为本发明基于受激布里渊散射的激光器的正视图；

图3为本发明基于受激布里渊散射的激光器的俯视图；

图4为本发明基于受激布里渊散射的激光器中光信号在不同介质中折射示意图；

图5为本发明基于受激布里渊散射的激光器的谐振腔和增益介质角度设置示意图。

附图标记：1–增益介质；2–激光窗口；3–冷却液入口；4–冷却液出口；5–集流器；6–全反射镜；7–激光耦合镜；8–泵浦源；9–泵浦窗口；10–输出反射镜；11–冷却液通道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1a和1b所示，当平面波面经过液体发生普通散射时，前后两个方向的散射光和原光束具有相同的相位，若光束产生畸变，畸变会叠加，如图1a所示。而当液体发生受激布里渊散射时，前后两个方向的散射光和原光束具有共轭的相位，将产生的畸变相互抵消，恢复为平面波面，如图1b。由此可知，受激布里渊散射的相位同源光束的相位共轭，可实时消除光束畸变。因此，若使冷却液产生受激布里渊散射，可以有效的提高激光器光束质量，而产生受激布里渊散射需要激光功率足够高，通常在超短激光脉冲中才能实现。

激光器中往往应用调Q技术以达到提高其峰值功率的目的。激光器的调Q是将激光能量压缩到时间极短的脉冲中，从而使激光的峰值功率提高几个数量级(脉冲宽度指的就是时间)。Q值定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比，因此实现调Q的一种方案就是“调节损耗”。实现调Q技术的方法包括电光调Q、声光调Q、染料调Q、转镜调Q等。由于可饱和吸收体材料对弱光的吸收系数随入射光强增大而减小，并在光强极高时变成透明。换言之，激光器因可饱和吸收体的吸收损耗可以变小甚至消失，从而达到调Q的目的。

本发明提供了一种激光器冷却液，包括受激布里渊散射液体和分散在受激布里渊散射液体中的可饱和吸收体。受激布里渊散射液体包括水、重水或四氯化碳中的任一种。可饱和吸收体选用半导体材料或拓扑绝缘体材料，可饱和吸收体颗粒粒径为纳米级，颗粒尺寸从几纳米到几百纳米不等。半导体材料具体为石墨烯、黑鳞、二硫化钼或二硫化钨中的任一种或多种混合物，拓扑绝缘体材料具体为Bi₂Se₃、Sb₂Te₃或Bi₂Te₃中的任一种或多种混合物。纳米级可饱和吸收体在冷却液中的添加量能够使冷却液透过率低于98％。

如图2和图3所示，本发明提供一种基于受激布里渊散射的激光器，其包括激光增益池和环绕激光增益池设置的激光耦合镜7、全反射镜6、输出反射镜10、泵浦源8。激光耦合镜7、全反射镜6和输出反射镜10形成谐振腔。激光增益池内设置有若干片平行布置的增益介质1，增益介质1设置为薄片状。激光耦合镜7和全反射镜6设置在激光增益池相对的两侧。激光增益池与全反射镜6、输出反射镜10相对的壁面设置有透明的激光窗口2，激光窗口2通常选用石英玻璃。输出反射镜10为部分反射镜，通常与激光耦合镜7同侧设置，且呈错开角度，错开角度往往为45°。输出反射镜10中间开孔，便于入射光线穿过，能够穿过开孔的光线在全反射镜6和激光耦合镜7之间往返振荡和增益，超过开孔尺寸的光线被反射出谐振腔，输出一个中空的光束。激光增益池的另外两个相对壁面设置为透明的泵浦窗口9，其外侧布置有泵浦源8。

相邻两片增益介质1之间以及增益介质1与激光增益池壁面之间形成冷却液通道11。冷却液通道11两端分别设置有冷却液入口3和冷却液出口4，分别布置在激光增益池的底部和顶部，冷却液通道11内充满上述的激光器冷却液。激光增益池内还设有集流器5，集流器5分别设置在冷却液入口3与冷却通道之间以及冷却通道与冷却液出口4之间，分别起分流和汇流作用。

本发明将纳米可饱和吸收体加入选定的受激布里渊散射液体中，并通过超声波使其均匀分散在受激布里渊散射液体中。受激布里渊散射液体透过率接近100％，通过加入纳米可饱和吸收体降低其透过率。由于纳米可饱和吸收体往往有一定杂质或不均匀，其加入量通常通过测定冷却液的透过率确定，当冷却液透过率降低为98％～50％时可以停止加入纳米可饱和吸收体，从而得到冷却液，并将冷却液从冷却液入口3注入激光增益池，使冷却液在冷却通道中流动，流速v为0<v<5m/s，典型流速2m/s。

本发明通过在受激布里渊散射液体添加纳米可饱和吸收体作为冷却液，获得高光束质量的调Q脉冲激光输出的原理如下：泵浦源8向增益介质1发出脉冲信号使其储存能量并释放自发辐射。谐振腔内的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比即为Q值。一方面，在泵浦源激励过程增益介质不断吸收储存能量，使储能增多，储能增多又使增益介质的增益能力增强；而另一方面可饱和吸收体吸收系数随光强增大而减小，使得谐振腔内能量损耗减小，使得Q值不断提高。当自发辐射在腔内振荡得到的增益大于其损耗时，自发辐射变为受激辐射，使得谐振腔内储存的总能量在纳秒级的短时间内释放，形成一个峰值功率能够被放大3～4个数量级(即数千倍到数万倍)的调Q脉冲激光，并瞬间激发冷却液产生受激布里渊散射，受激布里渊散射光束和激光光束的相位共轭，能够补偿激光光束通过冷却液时发生的畸变，获得高光束质量的调Q脉冲激光输出。

此外，将纳米可饱和吸收体分散于液体中，相对于将可饱和吸收体制成薄膜，具有更高的激光损伤阈值。

本发明提供的基于受激布里渊散射的激光器的调Q方法，包括以下步骤：

步骤一、将适量纳米级可饱和吸收体加入选定的受激布里渊散射液体中，并通过超声波使其均匀分散在受激布里渊散射液体中从而形成冷却液，并使冷却液透过率低于98％；

步骤二、将冷却液注入激光增益池，使其在冷却液通道流动，冷却液的流速v为0<v<5m/s；此时可饱和吸收体吸收系数为最大值，谐振腔内Q值为最低值；

步骤三、通过泵浦源向增益介质发出激励光源，激励光源选用脉冲光源；增益介质吸收和储存来自激励光源的能量并发出自发辐射；随着增益介质吸收和储存能量增多，增益介质的增益能力逐渐增强；与此同时，可饱和吸收体吸收系数随谐振腔内光强增大而减小，使得谐振腔内损耗减小，谐振腔内Q值提高；当自发辐射在腔内振荡得到的增益大于其损耗时，自发辐射变为受激辐射，使得增益介质所储存的总能量在纳秒级的短时间内释放，形成一个峰值功率能够被放大3至4个数量级的调Q脉冲激光，并瞬间激发冷却液产生受激布里渊散射，受激布里渊散射光束和激光光束的相位共轭，能够补偿激光光束通过冷却液时发生的畸变，获得高光束质量的调Q脉冲激光输出。

上述方法中，泵浦源8具体可选用脉冲光源的脉宽(脉冲持续时间)约等于增益介质1材料的荧光寿命，亦即泵浦源8选用脉冲光源的脉宽可以略小于或等于或略大于增益介质1材料的荧光寿命，能够尽可能用最低的激励能量为增益介质1提供最大的储能，避免能量浪费。

如图4所示，光信号从进入激光增益池增益到出射，至少经历了空气、激光窗口2(窗口介质)、冷却液和增益介质1等四种不同介质形成的三个不同质界面。激光在不同介质间传播时会发生折射和反射，为了减少反射损耗，当激光从一种介质入射到另外一种介质时，应该使入射角θ_B等于布儒斯特角，即满足如下条件：

出射角θ_O：

其中，n表示折射率；

空气、窗口介质、冷却液和增益介质之间形成三个分界面，分别对应三个入射角θ_B1、θ_B2和θ_B3，以及三个出射角θ_O1、θ_O2和θ_O3。

图4作为图5中A处的光信号传播路径详图，而其包括谐振腔的总体布置及光信号传播如图5所示，激光耦合镜7和全反射镜6平行布置，其与水平夹角均为θ₂。由于输出反射镜10往往与激光耦合镜7错开45°设置，因此输出反射镜10与水平夹角θ₃为θ₃＝θ₂-45°。增益介质1与水平面的夹角为θ₁。每片增益介质1的厚度为d₁，相邻两片增益介质1距离亦即其之间的冷却液通道11宽d₂。

从图4还可以看出，激光从冷却液进入增益介质1，在增益介质1形成的最大走偏距离h₁；激光从增益介质1进入冷却液，在冷却液通道11形成的最大走偏距离h₂。为了保证激光穿过若干片增益介质1后不偏离水平线，还需要满足h₁＝h₂，此时，

h₁＝d₁sin(θ_B3-θ₁)/sinθ_B3；

h₂＝d₂sin(θ₁+θ_B3-90°)/cosθ_B3。

根据上述关系式，可以根据不同的吸收液不同的增益介质1计算和设计出激光器中谐振腔各部件角度设置。实际上，增益介质1能够垂直摆放，此时需镀有增透膜，而不镀增透膜时则优选采用布儒斯特角摆放。

下面以具体设计为例，详细介绍本发明各特征之间的关系和功能作用。

如图5所示，增益介质1选用20片Nd³⁺离子掺杂的YAG晶体，掺杂浓度0.2at.％，YAG晶体的折射率为1.82。将YAG晶体切割成厚1.5mm、长30mm、宽20mm的薄片，并固定设置在激光增益池内，此时d₁＝1.5mm。薄片之间间距0.5mm，作为冷却液通道11用来通冷却液，此时d₂＝0.5mm，冷却液选用四氯化碳，流速2m/s。激光窗口2选用石英窗口。此时石英折射率与四氯化碳折射率均为1.46。YAG薄片采用布儒斯特角式摆放，以减小反射损耗。此时可以算出，三个入射角θ_B1、θ_B2和θ_B3分别为55.59°、51.26°和51.26°，三个出射角θ_O1、θ_O2和θ_O3分别为34.41°、51.26°和38.74°。

h₁＝d₁sin(θ_B3-θ₁)/sinθ_B3；

h₂＝d₂sin(θ₁+θ_B3-90°)/cosθ_B3；

90°-θ_i+θ₁＝θ_B3；

d₁＝1.5mm；

d₂＝0.5mm；

θ_B3＝51.26°。

根据h₁＝h₂，进一步解得θ₁＝47.59°；

楔角θ₀＝θ_B2-θ_O1＝16.85°；

θ₂＝180°-θ_B2-θ_O-θ₁＝59.97°；

θ₃＝θ₂-45°＝14.97°。

据此可以得到激光器的具体布置，YAG薄片与水平方向的夹角θ₁＝47.59°。激光窗口2为楔形石英，楔角θ₀＝16.85°。全反镜6直径为25mm，曲率半径为1000mm，与水平方向的夹角θ₂＝59.97°。激光耦合镜7直径为25mm，曲率半径为-500mm，与水平方向的夹角θ₂＝59.97°。激光耦合镜7和输出反射镜10之间的腔长为250mm。输出反射镜10长宽都为30mm，中间开方口，长宽都为6mm，与水平方向的夹角θ₃＝14.97°。用来输出方形的中空光斑，波长1064nm。

泵浦源8为6个半导体激光器阵列，波长808nm，光斑为方形，边长10mm，射向增益介质1。泵浦源8采用脉冲式工作方式，单次持续时间100-1000微秒，选200微秒，重复频率1-1kHz，选100Hz，单个泵浦源8峰值功率1800瓦，6个总共10800瓦。激励光源选用脉冲光源，脉冲持续时间(脉宽)近似于增益介质1材料的荧光寿命，能够用最低的激励能量为增益介质1提供最大的储能。

该实施例将尺寸约10nm的二硫化钼分散于四氯化碳中作为冷却液，当分散液在激光方向的透过率约为80％时停止添加二硫化钼。使冷却液以2m/s流速在冷却液通道11流动。脉冲光源发出激励信号，二硫化钼可饱和吸收体作为被动调Q器件，Nd³⁺离子掺杂的YAG晶体发出自发辐射。随着泵浦的进行，晶体储存了更多的能量，增益介质1的增益能力变强，而二硫化钼的吸收率随着光强的增强而降低，当自发辐射在腔内振荡得到的增益大于其损耗时，自发辐射变为受激辐射，增益过程储存的能量在纳秒级的短时间内释放出来，形成一个调Q脉冲激光，其峰值功率可以被放大3～4个数量级(即数千倍到数万倍)级别。同时，该脉冲激光瞬间激发冷却液四氯化碳的受激布里渊散射，受激布里渊散射和原光束的相位共轭，可以补偿原光束通过液体时发生的畸变，提高光束质量，最终可以获得脉宽12ns、峰值功率45MW的高品质脉冲激光输出。

Claims (10)

1.一种激光器冷却液，其特征在于：包括受激布里渊散射液体和分散在所述受激布里渊散射液体中的可饱和吸收体。

2.根据权利要求1所述激光器冷却液，其特征在于：所述受激布里渊散射液体为水、重水或四氯化碳，所述可饱和吸收体为半导体材料或拓扑绝缘体材料，且其颗粒粒径为纳米级。

3.根据权利要求2所述激光器冷却液，其特征在于：所述半导体材料为石墨烯、黑鳞、二硫化钼或二硫化钨中的任一种或多种混合物，所述拓扑绝缘体材料为Bi₂Se₃、Sb₂Te₃或Bi₂Te₃中的任一种或多种混合物。

4.根据权利要求1或2或3所述激光器冷却液，其特征在于：所述可饱和吸收体在冷却液中的添加量能够使冷却液透过率低于98％。

5.一种基于受激布里渊散射的激光器，包括激光增益池和围绕激光增益池设置的激光耦合镜(7)、全反射镜(6)、输出反射镜(10)和泵浦源(8)；所述激光耦合镜(7)、全反射镜(6)和输出反射镜(10)形成谐振腔；所述激光增益池内设置有若干平行布置的增益介质(1)，相邻两片增益介质(1)之间以及增益介质(1)与激光增益池壁面之间形成冷却液通道(11)；其特征在于：所述冷却液通道(11)内设置有冷却液，所述冷却液包括受激布里渊散射液体和分散在所述受激布里渊散射液体中的可饱和吸收体。

6.根据权利要求5所述基于受激布里渊散射的激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体在冷却液中的添加量能够使冷却液透过率低于98％；所述受激布里渊散射液体为水、重水或四氯化碳；所述可饱和吸收体为半导体材料或拓扑绝缘体材料，且其颗粒粒径为纳米级；所述半导体材料为石墨烯、黑鳞、二硫化钼或二硫化钨中的任一种或多种混合物，所述拓扑绝缘体材料为Bi₂Se₃、Sb₂Te₃或Bi₂Te₃中的任一种或多种混合物。

7.根据权利要求5或6所述基于受激布里渊散射的激光器，其特征在于：所述增益介质(1)垂直设置在激光增益池内或采用布儒斯特角设置在激光增益池内，当增益介质(1)垂直设置在激光增益池内时，所述增益介质(1)表面镀有增透膜。

8.根据权利要求7所述基于受激布里渊散射的激光器，其特征在于：所述激光增益池的冷却液入口(3)和冷却液出口(4)设置有集流器(5)，所述激光增益池与全反射镜(6)、输出反射镜(10)相对的壁面上设置有透明的激光窗口(2)。

9.一种基于受激布里渊散射的激光器的调Q方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将可饱和吸收体加入受激布里渊散射液体中，并使其均匀分散，从而形成冷却液；

步骤二、将步骤一得到的冷却液注入激光增益池，使其在冷却液通道内流动；

步骤三、泵浦源向增益介质发出激励光源，所述增益介质吸收和储存激励光源的能量并发出自发辐射；当自发辐射在腔内振荡得到的增益大于其损耗时，自发辐射变为受激辐射，瞬间将增益介质所储存能量释放形成巨脉冲激光，并激发冷却液的受激布里渊散射对激光光束畸变产生补偿，获得高光束质量的调Q脉冲激光输出。

10.根据权利要求9所述的基于受激布里渊散射的激光器的调Q方法，其特征在于：步骤二中，冷却液的流速v为0<v<5m/s；步骤三中，所述泵浦源选用脉冲光源的脉宽小于等于所述增益介质材料的荧光寿命。