CN113889832A - 一种泵浦被动调q激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种泵浦被动调Q激光器，其特征在于，包括：泵浦源(1)、激光谐振腔(2)和泵浦光整形耦合装置(3)，所述激光谐振腔(2)包括沿光轴依次设置的全反射镜(21)、激光增益介质、被动调Q晶体(23)和输出镜(24)；所述被动调Q晶体(23)上设置有冷却装置(4)，冷却装置(4)用于对被动调Q晶体(23)进行散热。本申请通过在被动调Q晶体(23)上增设冷却装置(4)，对被动调Q晶体(23)进行散热，保持被动调Q晶体(23)的温度，使其承受更高的腔内激光功率密度，从而实现应用于大功率的板条激光器中。
Description
技术领域
本申请涉及激光器的技术领域，尤其涉及一种泵浦被动调Q激光器。
背景技术
LD泵浦被动调Q激光器是获得高重复频率、大峰值功率、窄脉冲激光输出的重要技术。在中小功率固体激光器件中，被动调Q技术以其价格低廉、运转可靠和结构简单等优点而获得了广泛应用，其身影遍布了医疗、打标、光纤激光和测距等各个应用领域。
目前现有相关技术方案中，泵浦光经过泵浦耦合系统进入激光增益介质内，被动调Q激光器位于激光增益介质后面，吸收部分激光增益介质发出的受激辐射，从而产生激光脉冲输出，由于被动调Q激光器吸收激光增益介质发出的受激辐射，被动调Q激光器内的晶体吸收高功率密度的激光使温度升高，晶体不断吸热而内部产生应力，容易导致晶体损坏，因此被动调Q激光器由于散热问题大多只能用于低功率的固体激光器件中。
发明内容
(一)发明目的
本申请的目的是提供一种被动调Q激光器，为解决现有的大尺寸板条激光器无法调Q运转的问题。常规被动调Q激光器只能用于低功率的固体激光器件，通过在被动调Q晶体上增设冷却装置，用于对被动调Q晶体进行散热，保持被动调Q晶体的温度，承受更高的腔内激光功率密度，从而实现应用于大功率的板条激光器中。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本申请的提供了一种泵浦被动调Q激光器，包括：泵浦源，用于产生激光泵浦；激光谐振腔2，设置于泵浦源的一侧，用于对其内的激光形成振荡；泵浦光整形耦合装置3，位于泵浦源和激光谐振腔2之间，用于将泵浦源产生高的功率泵浦光整形耦合进激光谐振腔2内；所述激光谐振腔2包括沿光轴依次设置的全反射镜21、激光增益介质、被动调Q晶体23和输出镜24；所述被动调Q晶体23上设置有冷却装置4，冷却装置4用于对被动调Q晶体23进行散热。
通过采用上述技术方案，泵浦源产生的激光通过泵浦光整形耦合装置进行整形，泵浦光进入到激光谐振腔的激光增益介质内，激光在全反射镜和输出镜之间形成激光振荡，并在被动调Q晶体调制作用下形成调Q脉冲激光输出，采用冷却装置对被动调Q晶体进行冷却，使被动调Q晶体进行散热，保持被动调Q晶体的温度，因此被动调Q晶体可以承受更高的腔内激光功率密度，得到更高功率的调Q激光输出，由此应用于大功率的板条激光器中。
优选的，所述冷却装置包括相对设置且可通水冷却的第一微通道换热器和第二微通道换热器，所述被动调Q晶体位于第一微通道换热器和第二微通道换热器之间且被夹持固定，所述被动调Q晶体上不透光的侧面与第一微通道换热器和第二微通道换热器相接触。
优选的，所述冷却装置还包括用于固定第一微通道换热器的第一热沉和用于固定第二微通道换热器的第二热沉，所述第一热沉上设置有用于和第一微通道换热器的微通道形成第一流动通道的第一进水管和第一出水管
所述第二热沉上设置有用于和第二微通道换热器的微通道形成第二流动通道的第二进水管和第二出水管。
优选的，所述被动调Q晶体设置为板条状结构，所述被动调Q晶体上不透光的侧面与第一热沉和第二热沉之间相接触固定。
优选的，所述被动调Q晶体为大尺寸可饱和吸收体,其包括Cr:YAG，其通光口径大于该激光器振荡光的最大光斑尺寸。
优选的，所述激光增益介质包括但不限于Nd:YAG、Yb:YAG板条晶体，所述板条晶体设置为等腰梯形板条状结构，所述板条晶体的上底面作为入射面镀有针对泵浦光的增透膜，下底面镀有对泵浦光的高反射膜，振荡激光在板条晶体内部上底面和下底面之间形成全反射，以之字型光路传输。
优选的，所述泵浦源的中心波长包括但不限于808nm、885nm、940nm或976nm。
优选的，所述泵浦源产生的泵浦光的中心波长与激光增益介质的吸收光谱相匹配。
优选的，所述全反射镜为曲面镜或平面镜，并镀有对振荡光的高反膜。
优选的，所述输出镜为曲面镜或平面镜，面向激光增益介质一侧镀有对振荡光的部分透过率膜，另一面镀高透射膜，用于耦合输出腔内激光。
(三)有益效果
本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：采用被动调Q晶体，通光面比常规声光Q开关、电光Q开关大，解决了大功率板条激光器大通光截面不易实现调Q运转的问题，同时采用冷却装置给被动调Q晶体进行冷却，使被动调Q晶体进行散热，保持被动调Q晶体的温度，解决了大体积被动调Q晶体的散热问题，因此可以输出更高功率的脉冲激光。
附图说明
图1是本申请优先实施例的泵浦被动调Q激光器的示意图；
图2是本申请示例性实施方式的被动调Q晶体的冷却装置结构示意图；
图3是图2所示冷却装置的纵向抛剖面；
图4是图2所示冷却装置的横向抛剖面示意图；
图5是图2所示冷却装置中第一微通道换热器和第一热沉的局部结构示意图；
图6是本申请优先实施方式的板条晶体示意图。
附图标记：
1、半导体泵浦光源；2、激光谐振腔；21、全反射镜；22、板条晶体；221、上底面；222、腰部；23、被动调Q晶体；24、输出镜；3、泵浦光整形耦合装置；4、冷却装置；41、第一热沉；411、第一凹槽；412、第一装配孔；413、第一进水管；414、第一出水管；42、第二热沉；421、第二凹槽；422、第二装配孔；423、第二进水管；424、第二出水管；43、第一微通道换热器；431、第一安装孔；432、第一型腔；44、第二微通道换热器；441、第二安装孔；442、第二型腔5、螺栓；6、金属板。
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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
现有技术方案中，被动调Q激光器包括泵浦源、泵浦耦合系统、激光增益介质和可饱和吸收体，泵浦源发出泵浦光经泵浦耦合系统进入激光增益介质，可饱和吸收体置于激光增益介质后面，可饱和吸收体吸收部分激光增益介质发出的受激辐射，产生激光脉冲输出，可饱和吸收体吸收高功率密度的激光使温度升高，可饱和吸收体不断吸热而内部产生应力，容易导致可饱和吸收体损坏。
图1是本申请示例性实施例的泵浦被动调Q激光器的结构示意图。
如图1所示，本实施方式提供了一种泵浦被动调Q激光器，其包括激光谐振腔2和设置于激光谐振腔2一侧的泵浦源。泵浦源的作用是对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下4种:光泵浦、气体放电激励、化学激励、核能激励。在本申请实施例中泵浦源采用半导体泵浦光源1为例进行说明。
在半导体泵浦光源1和激光谐振腔2之间设置有泵浦光整形耦合装置3，用于将半导体泵浦光源1产生的高功率泵浦光进行整形耦合后再进入激光谐振腔2。可选的，泵浦光整形耦合装置3在本实施例中为矩形波导，将半导体泵浦光源1发出的泵浦光整形成分布均匀的矩形光斑并照射于激光增益介质内。另外也可以把匀化后的泵浦光整形成与激光谐振腔2内激光增益介质入射面区域匹配的光斑，最大程度的利用激光增益介质的体积。
激光谐振腔2包括沿光轴按照从左到右的顺序依次设置的全反射镜21、激光增益介质、被动调Q晶体23和输出镜24。
半导体泵浦光源1产生的激光通过泵浦光整形耦合装置3进行整形耦合，整形耦合后的泵浦光进入到激光增益介质内，激光在激光谐振腔2内的全反射镜21和输出镜24之间形成激光振荡，并在被动调Q晶体23的调制作用下形成脉冲激光输出。激光增益介质吸收泵浦光进行储能，此时由于被动调Q晶体23的电子大多处于基态，吸收系数很大，激光在激光谐振腔2处于低Q值(即高损耗)状态，不能形成激光振荡，因此，此时的激光增益介质所进行的辐射跃迁是自发辐射跃迁，其发出的是荧光，被动调Q晶体23吸收此荧光使电子由基态跃迁到激发态。随着激光增益介质储存能量的增多，其辐射的荧光也越多，被动调Q晶体23吸收大量的荧光使大部分电子处于激发态，从而使其对荧光的吸收系数变小，即所谓的“漂白”，此时激光在激光谐振腔2处于高Q值(即低损耗)状态，产生激光振荡，激光增益介质放出能量，激光器发出一个激光脉冲。可见，被动调Q晶体23是通过吸收激光增益介质发出的荧光而“漂白”的。自发辐射的荧光是没有方向性的，而且被动调Q晶体23被“漂白”的仅是产生激光辐射的那一小部分，即被动调Q晶体23是吸收了很小一部分荧光而被“漂白”的，漂泊后自调Q晶体对激光的吸收非常小，使谐振腔处于高Q值状态，形成振荡输出。
图2是本申请示例性实施方式的被动调Q晶体的冷却装置结构示意图；
如图1、2所示，被动调Q晶体23上设置有冷却装置4，冷却装置4用于对被动调Q晶体23进行散热。采用冷却装置4对被动调Q晶体23进行冷却，使被动调Q晶体23进行散热，保持被动调Q晶体23的温度。常规设置是将温度维持在25度，主要使被动调Q晶体23温度保持恒定，不至于吸热后不断升温导致晶体损坏。激光增益介质本身能吸收更高的泵浦功率，在激光谐振腔2内会形成更高的功率密度，在被动调Q晶体23保持温度恒定时，便可以承受更高的激光功率密度，由此可以得到更高功率的调Q激光输出。但由于被动调Q晶体23吸热，高功率密度的激光会使被动调Q晶体23内的晶体不断吸热而内部产生应力，最终导致被动调Q晶体23损坏，因此需要被动调Q晶体23进行散热，来降低被动调Q晶体23的温度，从而得到更高功率的调Q激光输出。
被动调Q晶体23运转时，泵浦光功率越高，振荡激光越高，被动调Q晶体23内的晶体若能承受住该功率的激光，便可以输出该高脉冲激光。具体输出脉冲激光的功率以实验为准，参考指标为500W以上。
如图1所示，可选的，半导体泵浦光源1设置为激光二极管阵列，半导体泵浦光源1位于激光增益介质的一侧，半导体泵浦光源1作为连续的激光泵浦源，其中心波长包括但不限于808nm、885nm、940nm或976nm。进一步的，半导体泵浦光源1为激光增益介质提供激励能量，泵浦光的中心波长与激光增益介质的吸收光谱相匹配，以实现较好的吸收率，获得更高的光效率。在本实施例中，半导体泵浦光源1泵浦光中心波长为808nm，功率可达数百瓦至万瓦级别。
可选的，全反射镜21为平面反射镜，镀有对振荡光的高反膜；输出镜24为平面镜，面向激光增益介质一侧镀有对振荡光的部分透过率膜，另一面镀高透射膜，用于耦合输出腔内激光。
图2是本申请示例性实施方式的被动调Q晶体的冷却装置结构示意图；
图3是图2所示冷却装置的纵向抛剖面；
图4是图2所示冷却装置的横向抛剖面示意图；
图5是图2所示冷却装置中第一微通道换热器和第一热沉的局部结构示意图。
如图2、3、4、5所示，冷却装置4包括第一热沉41、第二热沉42、第一微通道换热器43和第二微通道换热器44，第一热沉41设置有与第一微通道换热器43相适配的第一凹槽411，第一微通道换热器43安装于第一凹槽411内，第一微通道换热器43的两端延伸至与第一热沉41两端相对齐，第一微通道换热器43的两端开设有第一安装孔431，第一热沉41的两端开设有与第一安装孔431相对应的第一装配孔412。
第二热沉42设置有与第二微通道换热器44相适配的第二凹槽421，第二微通道换热器44安装于第二凹槽421内，第二微通道换热器44的两端延伸至与第二热沉42的两端相对齐，第二微通道换热器44的两端开设有第二安装孔441，第二热沉42的两端开设有与第二安装孔441相对应的第二装配孔422。
第一热沉41和第二热沉42之间设置有螺钉5，螺钉5依次穿过第一装配孔412、第一安装孔431、第二安装孔441和第二装配孔422内，从而将第一微通道换热器43和第二微通道换热器44固定起来，第一微通道换热器43朝向第二微通道换热器44的一侧内凹有第一型腔432，第二微通道换热器44朝向第一微通道换热器43的一侧内凹有第二型腔442，第一微通道换热器43和第二微通道换热器44在被螺钉5固定时，第一型腔432和第二型腔442相互扣合形成固定夹持被动调Q晶体23的安装型腔，被动调Q晶体23上不透光的侧面固定夹持在安装型腔内。可选的，第一热沉41和第二热沉42所选的材料有紫铜镀金、无氧铜、铜钨合金、铝和硅等，本申请实施例中以紫铜镀金的第一热沉41和第二热沉42例进行说明。
第一热沉41设置有第一进水管413和第一出水管414，第一进水管413和第一出水管414与第一微通道换热器43的微通道形成第一流动通道。第二热沉42设置有第二进水管423和第二出水管424，第二进水管423和第二出水管424与第二微通道换热器44的微通道形成第二流动通道。冷却水由第一进水管413、第二进水管423进入并经过第一流动通道、第二流动通道，将被动调Q晶体23传导给第一微通道换热器43和第二微通道换热器44的热量带出，最后换热后的冷却水从第一出水管414、第二出水管424流出，从而实现对被动调Q晶体23的散热。微通道换热器的通道当量直径在10-1000μm，与常规换热器相比,微通道换热器不仅体积小换热系数大,换热效率高。
如图1、2所示，被动调Q晶体23设置为板条状结构，被动调Q晶体23相对激光谐振腔2竖向设置，被动调Q晶体23朝向激光谐振腔2的一侧为入射面，背向被动调Q晶体23的一侧为出射面，用于通过激光，被动调Q晶体23的其他侧均被第一微通道换热器43、第二微通道换热器44进行夹紧接触，用于换热。
进一步的，被动调Q晶体23为大尺寸可饱和吸收体,可饱和吸收体是一种具有确定损耗的光学器件，当入射光强超过可饱和吸收体的阈值时，光学损耗变小，透过率增大。当可饱和吸收体被一束光激发，载流子从基态被泵浦到激发态，在强激发状态下，基态离子被耗尽，激发态被部分占据，所以吸收达到饱和。激发态通过热稳定以及复合过程，重新回到基态，于是就能够吸收光子。
可饱和吸收体包括但不仅限于Cr:YAG，其通光口径大于该激光器振荡光的最大光斑尺寸。高功率板条激光器的振荡光斑都大于2*10mm，该光斑尺寸超出了常规的调Q器件通光范围(一般小于7mm)，但被动调Q晶体23可以生长很大尺寸，有足够大的通光面，通光面大小满足板条激光器的要求，其具体通光口径由采用的被动调Q晶体23截面来决定。常规Q开关，通光口径都在7mm以内，但板条激光光斑一般大于10,所以没法调Q运转，因此采用大尺寸的被动调Q晶体23可以解决大功率激光器调Q运转的技术瓶颈。
图6是本申请优先实施方式的板条晶体示意图。
如图1、6所示，可选的，激光增益介质包括板条状的板条晶体22，板条晶体22为布鲁斯特角切割的等腰梯形板条状结构，板条晶体22朝向泵浦光整形耦合装置3的上底面221作为大面侧，在板条晶体22的大面侧镀有针对泵浦光的增透膜，可吸收泵浦光，产生腔内振荡激光，为输出激光脉冲创造条件，板条晶体22的下底面镀有对泵浦光的高反射膜。板条晶体22的两个腰部222设置有切角，入射光在板条晶体22的上底面221和下底面之间形成全反射，走“之”字型光路，不断正向、反向穿过由泵浦光整形耦合装置3耦合出的泵浦光照射在上底面221的泵浦光照射区域，形成正的、或者负的相位改变，叠加效果就是一定程度上的抵消，带来的热畸变得到补偿。具体为激光在板条晶体22内部沿“之”不断的折返，较佳的，板条晶体22作为增益介质，在本实施例中为Nd:YAG晶体。
如图6所示，可选的，板条晶体22上设置有降温装置，降温装置包括但不仅限于传导冷却装置，在一个具体的实施例中，传导冷却装置包括金属板6，将板条晶体22的下底面可用机械固定、焊接或者粘结在金属板6上，板条晶体22上的热可以迅速传导到金属板6上被带走，从而实现降温操作。较佳的，金属板6选用镀金的紫铜热沉。
如上所述，在本发明的激光器中，在不改变激光器内部结构和光学器件设置的前提下，在满足板条晶体22损伤阈值条件下，通过整体水冷却方式，使被动调Q晶体23因吸收振荡光而产生的热被迅速带走，进而能保持被动调Q晶体23的温度，解决了大体积被动调Q晶体23散热问题，使其可以承受更高的腔内激光功率密度，得到更高功率的调Q激光输出。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种泵浦被动调Q激光器，其特征在于，包括：
泵浦源，用于产生激光泵浦；
激光谐振腔(2)，设置于泵浦源的一侧，用于对其内的激光形成振荡；
泵浦光整形耦合装置(3)，位于泵浦源和激光谐振腔(2)之间，用于将泵浦源产生高的功率泵浦光整形耦合进激光谐振腔(2)内；
所述激光谐振腔(2)包括沿光轴依次设置的全反射镜(21)、激光增益介质、被动调Q晶体(23)和输出镜(24)；
所述被动调Q晶体(23)上设置有冷却装置(4)，冷却装置(4)用于对被动调Q晶体(23)进行散热。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述冷却装置(4)包括相对设置且可通水冷却的第一微通道换热器(43)和第二微通道换热器(44)，所述被动调Q晶体(23)位于第一微通道换热器(43)和第二微通道换热器(44)之间且被夹持固定，所述被动调Q晶体(23)上不透光的侧面与第一微通道换热器(43)和第二微通道换热器(44)相接触。
3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述冷却装置(4)还包括用于固定第一微通道换热器(43)的第一热沉(41)和用于固定第二微通道换热器(44)的第二热沉(42)，所述第一热沉(41)上设置有用于和第一微通道换热器(43)的微通道形成第一流动通道的第一进水管(413)和第一出水管(414)；
所述第二热沉(42)上设置有用于和第二微通道换热器(44)的微通道形成第二流动通道的第二进水管(423)和第二出水管(424)。
4.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述被动调Q晶体(23)设置为板条状结构，所述被动调Q晶体(23)上不透光的侧面与第一微通道换热器(43)和第二微通道换热器(44)相接触固定。
5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述被动调Q晶体(23)为大尺寸可饱和吸收体,其包括Cr:YAG，其通光口径大于该激光器振荡光的最大光斑尺寸。
6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光增益介质包括但不限于Nd:YAG、Yb:YAG板条晶体(22)，所述板条晶体(22)设置为等腰梯形板条状结构，所述板条晶体(22)的上底面(221)作为入射面镀有针对泵浦光的增透膜，下底面镀有对泵浦光的高反射膜，振荡激光在板条晶体(22)内部上底面(221)和下底面之间形成全反射，以之字型光路传输。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述泵浦源的中心波长包括但不限于808nm、885nm、940nm或976nm。
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述泵浦源产生的泵浦光的中心波长与激光增益介质的吸收光谱相匹配。
9.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述全反射镜(21)为曲面镜或平面镜，并镀有对振荡光的高反膜。
10.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述输出镜(24)为曲面镜或平面镜，面向激光增益介质一侧镀有对振荡光的部分透过率膜，另一面镀高透射膜，用于耦合输出腔内激光。
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|---|---|---|---|
| CN202110603807.4A CN113889832A (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 一种泵浦被动调q激光器 |
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Family Applications (1)
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2021
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