CN112670809B - 一种阳光泵浦气体光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阳光泵浦气体光纤激光器，属于光纤激光器技术领域。本激光器包括菲涅尔镜、聚光器、空芯光纤滤波器、第一谐振腔、第二谐振腔和激光耦合输出器，聚光器、空芯光纤滤波器、第一谐振腔、第二谐振腔和激光耦合输出器依次连接，第一谐振腔和第二谐振腔之间连接有空芯光纤，空心光纤内填充有CO₂、C₂H₂或CH₄等气体，菲涅尔镜具有支架，菲涅尔镜设置在支架上。本气体光纤激光器的菲涅尔镜具有良好的聚焦作用，可以将太阳光进行很好的收集，聚光器则进一步收集菲涅尔镜收集的太阳光，将太阳光聚焦耦合进入空芯光纤滤波器，充分利用太阳光，大部分的太阳光被吸收，对激光器产生的热量也较少，使激光器容易散热。

Description

一种阳光泵浦气体光纤激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种阳光泵浦气体光纤激光器。

背景技术

太阳光作为一种清洁能源，可谓取之不尽用之不竭。目前，利用太阳光直接泵浦固体或气体产生激光已经实现。早在1963年，美国无线电公司就研究出太阳光泵浦Dy²⁺:CaF₂晶体激光器。1976年，利用Nd³⁺:YAG晶体，在阳光泵浦下，产生5瓦激光。经过几十年的发展，太阳光泵浦激光器也取得很大发展。

但是目前太阳光泵浦激光器存在激光器体积庞大，体积从几立方米到几十立方米，少则几十斤，甚至上百斤，比较笨重。同时由于太阳光不能被充分利用，大部分不能吸收的太阳光给激光器带来大量热，散热成为太阳光泵浦激光器的一大问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种阳光泵浦气体光纤激光器，本发明所要解决的技术问题是：如何对太阳光进行充分的利用。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种阳光泵浦气体光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括菲涅尔镜、聚光器、空芯光纤滤波器、第一谐振腔、第二谐振腔和激光耦合输出器，所述聚光器、空芯光纤滤波器、第一谐振腔、第二谐振腔和激光耦合输出器依次连接，所述第一谐振腔和第二谐振腔之间连接有空芯光纤，所述空心光纤内填充有CO₂、C₂H₂或CH₄等气体，所述菲涅尔镜具有支架，所述菲涅尔镜设置在所述支架上。

其工作原理是：本气体光纤激光器中，聚光器、空芯光纤滤波器和第一谐振腔通过光纤依次连接，第二谐振腔和激光耦合输出器通过光纤依次连接，菲涅尔镜用于收集太阳光，并将收集到的太阳光聚焦于聚光器上，其后聚光器将太阳光聚焦耦合进入空芯光纤滤波器，进入空芯光纤滤波器的太阳光将通过谐振腔与增益光纤发生作用发生受激辐射并产生激光，产生的激光通过激光耦合输出器输出。菲涅尔镜具有良好的聚焦作用，可以将太阳光进行很好的收集，聚光器则进一步收集菲涅尔镜收集的太阳光，将太阳光聚焦耦合进入空芯光纤滤波器，充分利用太阳光，大部分的太阳光被吸收，对激光器产生的热量也较少，使激光器容易散热。此外，本气体光纤激光器采用空芯光纤滤波器，利用空芯纤特殊的导光特性滤除大部分无用太阳光，将会大大减少太阳光泵浦激光器的散热成本，激光器的体积更小巧紧凑。

空芯光纤作为增益光纤使用，空心光纤内填充有CO₂、C₂H₂或CH₄气体，这些气体能够产生激光，并提高激光的输出功率。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述第一谐振腔内设置有若干第一光纤光栅，所述第二谐振腔内设置有若干第二光纤光栅，所述所述第一光纤光栅和第二光纤光栅呈长条状，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别沿第一谐振腔或第二谐振腔的长度方向分布。

第一光纤光栅和第二光纤光栅分别组成高功率的光栅对，能够大大提高光的耦合效率，减少耦合损耗。第一光纤光栅和第二光纤光栅主要起谐振腔的作用，第一光纤光栅在泵浦波长具有高透光率HT>99％，在激光波长具有高反射率的功能HR>99％，第二光纤光栅在激光波长处具有高透光率(50％>HT>4％)，在泵浦波长处具有高反射率HR>99％。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述空芯光纤上连接有气体阀，所述气体阀位于所述第一谐振腔和第二谐振腔之间。气体阀用于关闭或打开空芯光纤，方便的控制空芯光纤的导通，气体阀可以是一个，也可以是两个以上。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述菲涅尔镜由PMMA制成。

PMMA即聚甲基丙烯酸甲酯，又称做亚克力或有机玻璃，菲涅尔镜的材质为PMMA，太阳光的透过率可达93％以上，具有非常好的透光效果。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述聚光器呈锥台状，聚光器的大端朝向所述菲涅尔镜。呈锥台状的聚光器可以更好的收集菲涅尔镜处射来的太阳光，实现对太阳光进行更充分的利用。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述聚光器由石英材料制成，聚光器具有内腔，所述内腔的内壁上涂覆有反射膜。

聚光器的材料一般为石英玻璃，它的内壁上涂覆有反射膜，反谐膜一般为金膜，该反射膜对200-2500nm范围内的太阳光的反射率可达95％以上。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述空芯光纤滤波器的光纤为空芯带隙光纤或空芯反谐振光纤。

依据不同的增益光纤，可以选取不同的空芯带隙或空芯反谐振光纤，空芯带隙或空芯反谐振光纤在太阳光谱某一波段具有带通功能，其通带与增益光纤的吸收谱相一致。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述激光器还包括半导体致冷板，所述空芯光纤滤波器、第一谐振腔、第二谐振腔设置在所述半导体制冷板上。

半导体致冷板用于对光纤进行冷却，半导体致冷的工作电压为12v，其可以接收太阳能板提供的电能。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述菲涅尔镜铰接在所述支架上，所述激光器还包括能够控制所述菲涅尔镜随太阳光的方向转动的太阳追踪系统。

太阳追踪系统主要包括光电探测电路系统和主控电路系统。光电探测电路系统主要用于测定太阳光的方位及运动轨迹，主控电路系统用于读取光电探测电路系统数据，通过获知的太阳光方位及运动轨迹信息控制菲涅尔镜的运动轨迹及太阳能板的运动轨迹。

通过太阳追踪系统可以控制菲涅尔镜的转动，使菲涅尔镜随太阳光的照射角度变化而变化，使菲涅尔镜始终与太阳光成一个较佳的角度，从而接受到更多的太阳光照射。

在上述的一种阳光泵浦气体光纤激光器中，所述激光器还包括太阳能板，所述半导体致冷板和太阳追踪系统分别与所述太阳能板电连接。

太阳能板用于将太阳能转化为电能，为太阳追踪系统和半导体致冷板提供电能。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本气体光纤激光器的菲涅尔镜具有良好的聚焦作用，可以将太阳光进行很好的收集，聚光器则进一步收集菲涅尔镜收集的太阳光，将太阳光聚焦耦合进入空芯光纤滤波器，充分利用太阳光，大部分的太阳光被吸收，对激光器产生的热量也较少，使激光器容易散热。

2、本气体光纤激光器采用空芯光纤滤波器，利用空芯光纤特殊的导光特性滤除大部分无用太阳光，大大减少太阳光泵浦激光器的散热成本。

3、本发明采用全光纤激光器，大大减小激光器的体积，方便激光器移动或是携带，同时由于光纤表面积比比较大，光纤激光器本身不需要过多的冷却。

附图说明

图1是本阳光泵浦气体光纤激光器的结构示意图；

图2是聚光器的工作原理示意图；

图3是空芯反谐振光纤的结构示意图。

图中，1支架；2菲涅尔镜；3聚光器；4空芯光纤滤波器；5第一谐振腔；6第二谐振腔；7第一光纤光栅；8第二光纤光栅；9激光耦合输出器；10空芯光纤；11气体阀；12内腔；13半导体致冷板；14太阳追踪系统；15太阳能板；16太阳光；17空气；18石英玻璃。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本激光器包括菲涅尔镜2、聚光器3、空芯光纤滤波器4、第一谐振腔5、第二谐振腔6和激光耦合输出器9，聚光器3、空芯光纤滤波器4、第一谐振腔5、第二谐振腔6和激光耦合输出器9依次连接，第一谐振腔5和第二谐振腔6之间连接有空芯光纤10，空心光纤内填充有CO₂、C₂H₂或CH₄等气体，菲涅尔镜2具有支架1，菲涅尔镜2设置在支架1上。

本气体光纤激光器中，聚光器3、空芯光纤滤波器4和第一谐振腔5通过光纤依次连接，第二谐振腔6和激光耦合输出器9通过光纤依次连接，菲涅尔镜2用于收集太阳光16，并将收集到的太阳光16聚焦于聚光器3上，其后聚光器3将太阳光16聚焦耦合进入空芯光纤滤波器4，进入空芯光纤滤波器4的太阳光16将通过谐振腔与增益光纤发生作用发生受激辐射并产生激光，产生的激光通过激光耦合输出器9输出。

空芯光纤10作为增益光纤使用，空心光纤内填充有CO₂、C₂H₂或CH₄气体，这些气体能够产生激光，并提高激光的输出功率。

如图1所示，本实施例中，第一谐振腔5内设置有若干第一光纤光栅7，第二谐振腔6内设置有若干第二光纤光栅8，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8呈长条状，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8分别沿第一谐振腔5或第二谐振腔6的长度方向分布。

第一光纤光栅7和第二光纤光栅8分别组成高功率的光栅对，能够大大提高光的耦合效率，减少耦合损耗。第一光纤光栅7和第二光纤光栅8主要起谐振腔的作用，第一光纤光栅7在泵浦波长具有高透光率HT>99％，在激光波长具有高反射率的功能HR>99％，第二光纤光栅8在激光波长处具有高透光率(50％>HT>4％)，在泵浦波长处具有高反射率HR>99％。

如图1所示，本实施例中，空芯光纤10上连接有气体阀11，气体阀11位于第一谐振腔5和第二谐振腔6之间。气体阀11用于关闭或打开空芯光纤10，方便的控制空芯光纤10的导通，气体阀11可以是一个，也可以是两个以上。

作为一种实施例，菲涅尔镜2由PMMA制成。PMMA即聚甲基丙烯酸甲酯，又称做亚克力或有机玻璃，菲涅尔镜2的材质为PMMA，太阳光16的透过率可达93％以上，具有非常好的透光效果。

如图1所示，本实施例中，聚光器3呈锥台状，聚光器3的大端朝向菲涅尔镜2。呈锥台状的聚光器3可以更好的收集菲涅尔镜2处射来的太阳光16，实现对太阳光16进行更充分的利用。

如图2所示，聚光器3由石英材料制成，聚光器3具有内腔12，内腔12的内壁上涂覆有反射膜。

聚光器3的材料一般为石英玻璃18，它的内壁上涂覆有反射膜，反谐膜一般为金膜，该反射膜对200-2500nm范围内的太阳光16的反射率可达95％以上。

如图3所示，本实施例中，空芯光纤滤波器4的光纤为空芯反谐振光纤，空芯反谐振光纤包括石英玻璃18制成的外包层，外部层内设置有空芯管，空芯管内填充有空气17。

作为另一种实施例，空芯光纤滤波器4的光纤为空芯带隙光纤。

依据不同的增益光纤，可以选取不同的空芯带隙或空芯反谐振光纤，空芯带隙或空芯反谐振光纤在太阳光16谱某一波段具有带通功能，其通带与增益光纤的吸收谱相一致。

如图1所示，本实施例中，激光器还包括半导体致冷板13，空芯光纤滤波器4、第一谐振腔5、第二谐振腔6设置在半导体制冷板上。

半导体致冷板13用于对光纤进行冷却，半导体致冷的工作电压为12v，其可以接收太阳能板15提供的电能。

如图1所示，本实施例中，菲涅尔镜2铰接在支架1上，激光器还包括能够控制菲涅尔镜2随太阳光16的方向转动的太阳追踪系统14。

通过太阳追踪系统14可以控制菲涅尔镜2的转动，使菲涅尔镜2随太阳光16的照射角度变化而变化，使菲涅尔镜2始终与太阳光16成一个较佳的角度，从而接受到更多的太阳光16照射。

如图1所示，本实施例中，激光器还包括太阳能板15，半导体致冷板13和太阳追踪系统14分别与太阳能板15电连接。太阳能板15用于将太阳能转化为电能，为太阳追踪系统14和半导体致冷板13提供电能。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种阳光泵浦气体光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括菲涅尔镜（2）、聚光器（3）、空芯光纤（10）滤波器（4）、第一谐振腔（5）、第二谐振腔（6）和激光耦合输出器（9），所述聚光器（3）、空芯光纤（10）滤波器（4）、第一谐振腔（5）、第二谐振腔（6）和激光耦合输出器（9）依次连接，所述第一谐振腔（5）和第二谐振腔（6）之间连接有空芯光纤（10），所述空芯光纤内填充有CO₂、C₂H₂或CH₄气体，所述菲涅尔镜（2）具有支架（1），所述菲涅尔镜（2）设置在所述支架（1）上；所述第一谐振腔（5）内设置有若干第一光纤光栅（7），所述第二谐振腔（6）内设置有若干第二光纤光栅（8），所述第一光纤光栅（7）和第二光纤光栅（8）呈长条状，第一光纤光栅（7）和第二光纤光栅（8）分别沿第一谐振腔（5）或第二谐振腔（6）的长度方向分布；第一光纤光栅（7）和第二光纤光栅（8）分别组成高功率的光栅对，第一光纤光栅（7）在泵浦波长具有高透光率HT>99%，在激光波长具有高反射率的功能HR>99%，第二光纤光栅（8）在激光波长处具有高透光率（50%>HT>4%），在泵浦波长处具有高反射率HR>99%；所述激光器还包括半导体致冷板（13），所述空芯光纤（10）滤波器（4）、第一谐振腔（5）、第二谐振腔（6）设置在所述半导体致冷板上；所述空芯光纤（10）上连接有气体阀（11），所述气体阀（11）位于所述第一谐振腔（5）和第二谐振腔（6）之间；所述聚光器（3）呈锥台状，聚光器（3）的大端朝向所述菲涅尔镜（2）；所述聚光器（3）由石英材料制成，聚光器（3）具有内腔（12），所述内腔（12）的内壁上涂覆有反射膜；所述空芯光纤（10）滤波器（4）的光纤为空芯带隙光纤或空芯反谐振光纤。

2.根据权利要求1所述的一种阳光泵浦气体光纤激光器，其特征在于，所述菲涅尔镜（2）由PMMA制成。

3.根据权利要求1所述的一种阳光泵浦气体光纤激光器，其特征在于，所述菲涅尔镜（2）铰接在所述支架（1）上，所述激光器还包括能够控制所述菲涅尔镜（2）随太阳光的方向转动的太阳追踪系统（14）。

4.根据权利要求1所述的一种阳光泵浦气体光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括太阳能板（15），所述半导体致冷板（13）和太阳追踪系统（14）分别与所述太阳能板（15）电连接。