CN113783084B - 一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，包括基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置、羽流区、半导体泵浦系统；系统在工作时，激光工作介质发生装置在电场和磁场的作用下对工作介质进行电离产生等离子体，等离子体在电磁场的综合作用下加速喷出形成羽流区，羽流区中可作为激光增益介质的工作介质在半导体泵浦系统的泵浦作用下实现激光输出；同时，由于羽流区中工作介质高速运动，将激光泵浦过程中产生的废热高效排出；具有全电操作、轻量紧凑、高比功率、高效热控和单口径输出等优势，推进新一代高电光效率、高光束质量和高平均功率激光光源的发展。

Description

一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统。
背景技术
自上世纪六十年代激光器问世以来，人们一直致力于发展具有高平均功率、高转换效率和高光束质量的激光系统，在工业和国防等领域具有重要应用。激光系统本质上是将泵浦能量(如化学能、电能、光能等)转换为具有高相干性低熵的激光输出，同时必然伴随部分泵浦能量转变为高熵的废热，废热的累积会导致激光系统性能恶化和损伤，且在高能激光系统中更加明显，高能激光系统发展的关键在于热管理。
化学激光作为目前唯一实现兆瓦级输出的光源，除了对增益介质的合理选取以外，关键在于采用了高效气动排气散热技术，并且气体介质良好的均匀性、无内应力、低热光系数等均有利于获得高光束质量。然而，化学激光的运转需要复杂的燃料供给和庞大的压力恢复系统，激光系统体积重量居高不下，后勤保障困难，难以应用于机动平台。现代高能激光已经从上世纪的化学能时代步入电能时代，这在很大程度上得益于半导体激光的快速发展，使得大功率窄线宽选择性泵浦成为现实，同时得益于板条、薄片、光纤等激光介质的不断发展，全固态激光器成为高能激光发展的热点。然而，全固态激光器单路输出功率始终停留在万瓦级，十万瓦级功率水平需要多路合束，至于兆瓦级固态激光系统目前尚无明确的技术路线。根本原因仍然回归到散热问题上，由于固体激光介质只能通过传导散热，且热导率都偏低，因而只能做成薄片、光纤等大比表面积结构，相应的导致了有限的模体积和其他技术障碍。
高能激光的发展需求和传统技术方案的局限催生了半导体泵浦气体激光的诞生和发展。这是一种新型的气固融合激光体系，采用半导体激光泵浦气相增益介质实现激光输出，旨在继承化学激光气流散热和固体激光全电操作、轻量紧凑等综合优势，开辟一条具有单口径兆瓦级输出潜力的新型高能激光之路。其中，典型代表为半导体泵浦碱金属激光(Diode Pumped Alkali Lasers,DPALs)，选择具有高量子效率且可以循环使用的碱金属原子饱和蒸气作为增益介质，利用近红外波段窄线宽半导体激光进行高效泵浦(钾766nm，铷780nm，铯852nm)，通过气体流动进行散热，兼具电能驱动、高效紧凑、单口径定标放大等优势，目前已经验证数十千瓦平均功率，正在朝更高功率量级迈进。同时，DPALs的发展需要突破大功率窄线宽半导体激光和高活性碱金属饱和蒸汽流控制等关键技术，人们一方面致力于快速推进上述技术的发展，另一方面也在积极探索其他类型半导体泵浦气体激光，比较有代表性的是半导体泵浦亚稳态惰性气体激光和半导体泵浦纳米气体激光。半导体泵浦亚稳态惰性气体激光(Diode Pumped Metastable Rare Gas Lasers,DPRGLs)采用亚稳态惰性气体原子代替碱金属原子，即通过电子碰撞将惰性气体原子满壳层中的电子激发为价电子形成亚稳态结构，其在构型和光学性质上与碱金属原子非常相似，可以采用类DPALs方式进行泵浦出光，其惰性气体工质操作简易、瞬时产生且安全可靠。半导体泵浦纳米气体激光(Diode Pumped Nanoparticle Gas Lasers,DPNGLs)采用半导体泵浦气相悬浮的稀土离子掺杂(Nd3+或者Yb3+)纳米颗粒，利用载气流动散热，旨在实现宽带泵浦和增益介质的常温简易操控。DPRGLs和DPNGLs均在物理和工程角度表现出各自的相对优势和定标放大潜力，目前得到越来越多的关注和发展。
发明内容
本发明的发明目的是：提出一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，具有全电操作、轻量紧凑、高比功率、高效热控和单口径输出等优势，推进新一代高电光效率、高光束质量和高平均功率激光光源的发展。
本发明题目中所述“电磁驱动”的内涵包括两方面：一是通过电子轰击辅助产生可以用于半导体光泵浦的激光工作介质，二是对激光介质通过电磁力实现高速排放散热。上述概念受到宇航科学中电推进技术(EP,Electric Propulsion)的启发，EP技术是指采用电子将推进剂原子或分子轰击电离成等离子体，然后通过一定的电势差将等离子体加速并高速喷出，以交换动能的方式使航天器获得前进的动力，它突破了传统化学推进比冲的极限，适合星际航行。“电磁驱动”概念的提出起初来自于对EP和DPRGLs中很多共同点的偶然发现，具体如下：一是EP和DPRGLs均采用惰性气体(如Ar、Kr和Xe)作为工作介质，二是DPRGLs关注的亚稳态原子在EP等离子体和羽流区域以大体积和高浓度状态存在，三是EP的超高速低排量散热技术与激光高效排热需求相一致。上述共性为将EP和DPRGLs技术的交叉融合奠定了物理基础。同样的，如果将推进剂更换为稀土靶材，则在电子轰击作用下能够产生气相稀土离子掺杂的纳米颗粒，这一点目前已为相关实验所证实，这表明，EP工作模式对于DPNGLs同样适用。本发明提出的电磁驱动模式与传统意义的电激励激光完全不同，电能不是用来泵浦增益介质，而是用于辅助产生可用于光泵浦的激光工作介质，并基于电磁力对废热工质高速排放。
本发明采用的技术方案为：一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，包括基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1，用于产生高浓度的、可流动散热的激光工作介质，其原理主要借鉴宇航推进器高效电离、工作介质高速流动的特性；羽流区2，作为激光系统的增益介质富集区；半导体泵浦系统3，对羽流区的增益介质进行泵浦出光；系统在工作时，激光工作介质发生装置1在电场和磁场的作用下对工作介质进行电离产生等离子体，等离子体在电磁场的综合作用下加速喷出形成羽流区2，羽流区2中可作为激光增益介质的工作介质在半导体泵浦系统3的泵浦作用下实现激光输出；同时，由于羽流区2中工作介质高速运动，将激光泵浦过程中产生的废热高效排出。
进一步地，所述基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1为基于霍尔推进器工作模式的亚稳态惰性气体原子发生装置，工作介质进入激光工作介质发生装置1，与被电磁场加速后具有一定能量的电子发生碰撞，激发为离子态，形成等离子体；等离子体在电磁力作用下加速并高速喷出形成羽流区2，等离子体在羽流区2与电子进行复合，部分等离子体与电子复合后将跃迁至寿命较长的亚稳态，在羽流区2内形成具有一定浓度和体积的亚稳态原子区域，在缓冲气体的碰撞加宽作用下，通过窄线宽大功率半导体泵浦源对亚稳态原子区域进行高强度光泵浦实现激光输出。
进一步地，所述基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1为基于脉冲等离子体推进器工作模式的纳米气体发生装置，所述装置利用储能电容对稀土靶材表面进行放电，通过电子对稀土靶材轰击进行烧蚀和剥离形成等离子体，等离子体中包含气相悬浮的稀土离子掺杂纳米颗粒；通过窄线宽大功率半导体泵浦源对稀土离子掺杂纳米颗粒进行泵浦，通过激光谐振腔实现高能激光输出。
进一步地，当基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1为基于霍尔推进器工作模式的亚稳态惰性气体原子发生装置时，所述激光工作介质发生装置1中的工作介质为氦气、氖气、氩气、氪气或者氙气中的一种或几种的混合气体。
进一步地，当基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1为基于脉冲等离子体推进器工作模式的纳米气体发生装置时，所述激光工作介质发生装置1中的工作介质为稀土掺杂纳米颗粒或者其他满足工作模式要求的激光工作介质。
进一步地，所述缓冲气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或者其他气体。
进一步地，当基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1为基于霍尔推进器工作模式的亚稳态惰性气体原子发生装置时，所述半导体泵浦源的波长为811.75nm(泵浦亚稳态氩原子)、811.51nm(泵浦亚稳态氪原子)、882.18nm(泵浦亚稳态氙原子)或者其他与亚稳态惰性气体原子电偶极跃迁谱线相对应的波长。
进一步地，所述稀土靶材为钕、镱或者其他稀土元素。
进一步地，当基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1为基于脉冲等离子体推进器工作模式的纳米气体发生装置时，所述半导体泵浦源的波长为808nm(泵浦钕离子)、976nm(泵浦镱离子)、1018nm(泵浦镱离子)或者其他稀土元素覆盖的光谱吸收波段。
进一步地，所述工作介质可以为单向直排散热或者循环流动散热模式。
进一步地，所述羽流区可以为单路或者多路的组合，通过体积的增加等比例实现功率定标放大。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过放电方式产生大体积和高浓度的激光工作介质，瞬时产生，通电即用；
2.本发明利用电磁力高速排放等离子体，具有工质消耗量小，比功率高，散热效果好的优势；
3.本发明所用激光工质为惰性气体或者稀土材料，操作简易，安全可靠；
4.本发明所述的激光系统，具有全电操作、轻量紧凑、高比功率、高效热控和单口径输出的综合优势，有望发展为新一代高电光效率、高光束质量和高平均功率的激光光源。
附图说明
图1为亚稳态氩原子激光能级结构和跃迁过程示意图；
图2基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统结构示意图；
图3基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统结构示意图，激光工作介质发生装置为基于霍尔推进器工作模式的亚稳态惰性气体原子发生装置；
图4基于多阵列电磁驱动的半导体泵浦气体激光系统结构示意图；
图5基于电磁驱动的半导体泵浦气体激光系统结构示意图，激光工作介质发生装置为基于脉冲等离子体推进器工作模式的纳米气体发生装置。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为亚稳态氩原子激光能级结构和跃迁过程示意图，其他惰性气体原子的能级结构和跃迁过程类似。具体的，惰性气体原子(Ar、Kr和Xe)具有满壳层的基态电子结构ns2np6(1S0态)，通过电子碰撞将其激发至np5(n+1)s结构，该结构具有四种能态(1s2至1s5，其中1s5为最低亚稳态能级)，np5(n+1)p结构具有十种能态(2p1,2p2,…2p10)，一种与DPAL十分类似的三能级激光过程为：泵浦跃迁1s5→2p9，激光跃迁2p10→1s5，2p9→2p10之间为电偶极禁戒跃迁，通过氦气等缓冲气体碰撞弛豫实现。
图2为本发明基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统的结构组成图，包括基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1、羽流区2、半导体泵浦系统3。
实施例一：当基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1为基于霍尔推进器工作模式的亚稳态惰性气体原子发生装置时，该激光系统的结构组成如图3所示。图3中，激光工作介质发生装置1为基于霍尔推进器工作模式的亚稳态惰性气体原子发生装置，包括供气管路11，管路中流动的气体为高纯度氩气和氦气混合气源，其中氩气为激光工作介质，摩尔占比5％，氦气为缓冲气体,摩尔占比95％，用于促进2p9→2p10无辐射跃迁和原子吸收谱线展宽，为了防止杂质气体对1s5亚稳态氩原子的碰撞猝灭，气源杂质含量控制在1ppm以内、气动控制元件12，包括质量流量计12A和背压调节阀12B，其中质量流量计12A用于控制气体流量，背压调节阀12B用于控制气体压力、气体注入管道13、阳极14，气体注入管道13和阳极14连接，通过阳极14中心通道向工作气体腔室10内注入工作气体、高压电源15，电源功率＞10kW，用于对工作气体进行电离、空心阴极电子枪16，阴极材料为具有低逸出功的六硼化镧，当阴极被加热到＞1500K的同时给工作气体腔室10内供气，就可以在工作气体腔室10内产生足够多的电子，同时空心阴极电子枪16和阳极14之间形成恒定轴向电场E，用于对电子、离子进行加速、磁体17(可以用亥姆霍兹线圈或永磁体产生)，用于在工作气体腔室10内产生与电场方向正交的稳恒磁场B；激光工作介质发生装置1在工作时，工作气体通过供气管路11在气动控制元件12的气动控制下通过气体注入管道13在阳极14处注入工作气体腔室10，空心阴极电子枪16发射的电子在相互正交的恒定轴向电场E和稳恒磁场B的共同作用下基于霍尔效应回旋加速进动，达到一定的电子能量(＞3eV)和密度(1013cm-3)后，在工作气体腔室10内与工作气体进行充分碰撞，在电子的碰撞激发作用下，产生Ar+、Ar++、He+等带电粒子，形成等离子体；正离子Ar+在电场加速下以高速从工作气体腔室10一侧开口喷出形成羽流区2，在羽流区2内与空心阴极电子枪16发射的部分电子复合，形成高浓度1s5亚稳态氩原子，浓度范围在1013-1014cm-3，利用该区域亚稳态原子开展半导体光泵浦；半导体泵浦系统3包括大功率窄线宽半导体泵浦源31，用于产生中心波长为811.53nm，精确匹配1s5→2p9跃迁，线宽≤0.1nm(FWHM)的泵浦光、光束整形和聚焦系统32，用于对半导体泵浦光进行先准直再聚焦，达到所需的泵浦强度≥10kW/cm2、双色镜33，满足泵浦波长(811.53nm)高透(T≥99％)和激光波长(912nm)高反(R≥99％)、耦合输出镜34，对912nm反射率为20％；双色镜33和耦合输出镜34共同构成激光谐振腔；大功率窄线宽半导体泵浦源31通过光束整形和聚焦系统32和双色镜33后对亚稳态氩原子进行泵浦，形成增益，通过激光谐振腔实现激光输出；羽流区2工作介质的高速运动将激光产生的废热高效排出，维持高能激光系统连续稳定运转。
上述增益区域的体积规模可进行拓展以满足更高的输出功率需求，可以通过拓展羽流区2的体积或者采用多阵列拼接的方式来实现。下面以多阵列拼接方式为例进行说明，图4展示了基于三阵列的基于霍尔电磁驱动模式的高能半导体泵浦气体激光系统的结构组成。将图3所示的工作气体腔室横向排列为三路，对每一路的羽流区进行半导体泵浦形成增益区，利用图示横向泵浦的方式同时对三路增益能量进行提取，实现激光功率的提升。具体的，三路工作气体腔室的羽流区共同构成体积拓展的工作区域，采用三个大功率窄线宽半导体泵浦源分别对各个羽流区进行泵浦，通过共同的谐振腔提取增益并实现高能激光输出。由于非羽流区域不存在亚稳态原子基态吸收，三路羽流区并不要求空间连通，因此具有很好的按体积等比例功率放大能力。
实施例二：当基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置1为基于脉冲等离子体推进器工作模式的纳米气体发生装置时，激光系统的结构组成如图5所示：
图5中，激光工作介质发生装置1为脉冲等离子体推进器，包括储能电容11，将外界电能进行存储后作为系统放电源；平行极板电极12和13，分别作为阳极和阴极；接地端14，与阴极13相连、稀土元素靶材15，以镱为例，纯度≥99.9％，作为电离的工质材料；弹簧16，用于在靶材受电子轰击导致质量减少后将其前端维持在恒定的位置，为系统持续提供稀土离子注入、供气管路17，用于将一定流量的空气注入到放电腔室10内；电火花塞18、电火花塞电源19，用于在平行极板电极之间进行电火花放电产生少量等离子体，作为电离种子源辅助在稀土元素靶材15表面产生电弧放电。系统工作时：首先对储能电容11充电，充电电压施加在平行极板电极上，电压大小和电极板间距相关，需要确保电压低于电极间击穿电压；电火花塞18在电火花塞电源19的驱动下点火，在平行极板电极的极板间产生少量的初始等离子体，从而引阳极12和稀土元素靶材15的表面进行电弧放电。稀土元素靶材15在电弧放电的强电子轰击和高温作用下被烧蚀和剥离，分解成为含有大量镱离子的等离子体，并在等离子体热压力膨胀和极板自感磁场的电磁驱动作用下，使得镱离子沿垂直于平行极板方向加速喷出形成羽流区2，在氧化、成核和聚合等作用下，羽流区2产生大量镱离子掺杂的纳米颗粒(尺度<10nm，浓度>1013cm-3)，形成可用于半导体光泵浦的激光工作区域。随着稀土靶材被烧蚀和质量减少，弹簧16持续推动稀土靶材确保其前表面位置固定，为系统持续提供工质来源。纳米颗粒将在载气的气流作用下高速流动，将羽流区产生的激光废热高效排出；半导体泵浦系统3包括大功率窄线宽半导体泵浦源31，用于产生中心波长为976nm，线宽≤0.1nm(FWHM)的泵浦光、光束整形和聚焦系统32，用于对半导体泵浦光进行先准直再聚焦，达到所需的泵浦强度≥10kW/cm2、双色镜33，满足泵浦波长(976nm)高透(T≥99％)和激光波长(1030nm)高反(R≥99％)、耦合输出镜34，对1030nm反射率为20％；双色镜33和耦合输出镜34共同构成激光谐振腔；大功率窄线宽半导体泵浦源31通过光束整形和聚焦系统32和双色镜33后对稀土纳米颗粒进行泵浦，形成增益，通过激光谐振腔实现激光输出；羽流区2工作介质的高速运动将激光产生的废热高效排出，维持高能激光系统连续稳定运转。
上述激光系统同样可以采用与图4所示类似的结构进行功率定标放大。
综上所述，基于共同的工作介质和相关联的物理过程，有望将电磁驱动模式和光泵浦气体激光技术进行深度的交叉融合，一方面充分发挥半导体泵浦气体激光单口径高功率输出潜力，一方面通过电磁驱动模式实现传统气动效应无法满足的超低工质消耗和超高速离子射流高效热控，同时继承宇航推进器轻量紧凑的特点，有望实现一种高比功率、高效热控、轻量紧凑的新型高能激光体系架构。

Claims (11)

1.一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：包括基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置(1)，用于产生高浓度的、可流动散热的激光工作介质，其原理主要借鉴宇航推进器高效电离、工作介质高速流动的特性；羽流区(2)，作为激光系统的增益介质富集区；半导体泵浦系统(3)，对羽流区的增益介质进行泵浦出光；系统在工作时，激光工作介质发生装置(1)在电场和磁场的作用下对工作介质进行电离产生等离子体，等离子体在电磁场的综合作用下加速喷出形成羽流区(2)，羽流区(2)中可作为激光增益介质的工作介质在半导体泵浦系统(3)的泵浦作用下实现激光输出；同时，由于羽流区(2)中工作介质高速运动，将激光泵浦过程中产生的废热高效排出。
2.一种根据权利要求1所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：所述基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置(1)为基于霍尔推进器工作模式的亚稳态惰性气体原子发生装置，工作介质进入激光工作介质发生装置(1)，与被电磁场加速后具有一定能量的电子发生碰撞，激发为离子态，形成等离子体；等离子体在电磁力作用下加速并高速喷出形成羽流区(2)，等离子体在羽流区(2)与电子进行复合，部分等离子体与电子复合后将跃迁至寿命较长的亚稳态，在羽流区(2)内形成具有一定浓度和体积的亚稳态原子区域，在缓冲气体的碰撞加宽作用下，通过窄线宽大功率半导体泵浦源对亚稳态原子区域进行高强度光泵浦实现激光输出。
3.一种根据权利要求1所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：所述基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置(1)为基于脉冲等离子体推进器工作模式的纳米气体发生装置，所述装置利用储能电容对稀土靶材表面进行放电，通过电子对稀土靶材轰击进行烧蚀和剥离形成等离子体，等离子体中包含气相悬浮的稀土离子掺杂纳米颗粒；通过窄线宽大功率半导体泵浦源对稀土离子掺杂纳米颗粒进行泵浦，通过激光谐振腔实现高能激光输出。
4.一种根据权利要求1或2所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：当基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置(1)为基于霍尔推进器工作模式的亚稳态惰性气体原子发生装置时，所述激光工作介质发生装置(1)中的工作介质为氦气、氖气、氩气、氪气或者氙气中的一种或几种的混合气体。
5.一种根据权利要求1或3所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：当基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置(1)为基于脉冲等离子体推进器工作模式的纳米气体发生装置时，所述激光工作介质发生装置(1)中的工作介质为稀土掺杂纳米颗粒或者其他满足工作模式要求的激光工作介质。
6.一种根据权利要求1或2所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：所述缓冲气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或者其他气体。
7.一种根据权利要求1或2所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：所述半导体泵浦源的波长为811.75nm、811.51nm、882.18nm或者其他与亚稳态惰性气体原子电偶极跃迁谱线相对应的波长。
8.一种根据权利要求1或3所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：所述稀土靶材为钕、镱或者其他稀土元素。
9.一种根据权利要求1或3所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：所述半导体泵浦源的波长为808nm、976nm、1018nm或者其他稀土元素覆盖的光谱吸收波段。
10.一种根据权利要求1、2或3任一项所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：所述工作介质可以为单向直排散热或者循环流动散热模式。
11.一种根据权利要求1、2或3任一项所述基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，其特征在于：所述羽流区可以为单路或者多路的组合，通过体积的增加等比例实现功率定标放大。
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