CN114122885A - 一种灯泵浦激光器的聚光腔及灯泵浦激光器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种灯泵浦激光器的聚光腔及灯泵浦激光器，属于激光器的技术领域，其包括陶瓷腔本体，陶瓷腔本体内开设有空腔，空腔内设置有氙灯和激光晶体，所述激光晶体外罩设有掺钐玻璃管；所述陶瓷腔本体的空腔内壁涂覆有掺钐的釉层；所述氙灯照射到所述激光晶体，激发所述激光晶体发射发射1064nm波长的光线，所述1064nm波长的光线穿所述掺钐玻璃管，并通过所述掺钐的釉层在所述空腔内多次反射；其中，所述1064nm波长的光线在每次穿过所述掺钐玻璃管时，部分所述1064nm波长的光线被所述掺钐玻璃管吸收；且所述1064nm波长的光线在每次通过所述掺钐的釉层反射时，部分所述1064nm波长的光线被所述掺钐的釉层吸收。本申请具有提高陶瓷腔的电光效率的效果。

Description

一种灯泵浦激光器的聚光腔及灯泵浦激光器

技术领域

本申请涉及激光器的领域，尤其是涉及一种灯泵浦激光器的聚光腔及灯泵浦激光器。

背景技术

闪光灯泵浦的大能量固体激光器是一种科研、工业专用的激光器，该类型的激光器可以输出＞10J的纳秒激光脉冲，重复频率一般＜20Hz，通常应用于激光冲击强化、激光等离子体研究、激光损伤阈值研究、钛宝石激光泵浦源、激光退火等领域。

目前灯泵浦激光器通常采用氙灯（下文简称为“氙灯”）激发Nd:YAG激光晶体发光。

氙灯具有发光能量高、发射光谱匹配Nd:YAG激光晶体吸收谱的特点，因此广泛应用的大能量激光脉冲的泵浦源。Nd:YAG激光晶体是一种常见的激光发射晶体，该晶体可以受激发射1064nm波长的激光脉冲。在装配上述脉冲氙灯和Nd:YAG激光晶体时，利用聚光腔固定夹持氙灯和Nd:YAG激光晶体，并通过聚光腔形成光线反射的包围密闭空间，把氙灯发射的灯光通过直射或者反射照射到Nd:YAG激光晶体上，实现晶体储能，输出激光脉冲或放大激光脉冲等不同的功能。

现有常见的灯泵浦激光器采用的聚光腔有：硫酸钡粉末+玻璃腔、金属反射腔、陶瓷反射腔等不同类型的聚光腔。其中，硫酸钡粉末+玻璃腔的电光效率较高，但是该类聚光腔在长期工作或高重频工作时，容易发热，造成激光输出不稳定，影响激光器的性能。金属反射腔是利用镀金或镀银的金属反射泵浦光，形成光线反射的密闭空间，这种类型的聚光腔在长期受到氙灯强光照射以及热冲击时，容易老化，造成镀金层脱落，反射效率降低，后期维护成本高。陶瓷反射腔是利用白色陶瓷对氙灯发射的泵浦光强反射的能力，烧结成的具有特殊形状的反射腔体，陶瓷可以通过水冷有效冷却，因此也是一种被广泛使用的聚光腔。但是传统陶瓷腔相比于硫酸钡粉末腔，电光效率较低。因此，如何提供一种电光效率高的陶瓷聚光腔是本领域迫切需要解决的问题。

发明内容

为了提高陶瓷聚光腔的电光效率，本申请提供一种灯泵浦激光器的聚光腔。

本申请提供的一种灯泵浦激光器的聚光腔采用如下的技术方案：

第一方面，提供了一种灯泵浦激光器的聚光腔，该灯泵浦激光器的聚光腔包括陶瓷腔本体，陶瓷腔本体内开设有空腔，空腔内设置有氙灯和激光晶体，所述激光晶体外罩设有掺钐玻璃管；所述陶瓷腔本体的空腔内壁涂覆有掺钐的釉层；所述氙灯照射到所述激光晶体，激发所述激光晶体发射发射1064nm波长的光线，所述1064nm波长的光线穿所述掺钐玻璃管，并通过所述掺钐的釉层在所述空腔内多次反射；其中，所述1064nm波长的光线在每次穿过所述掺钐玻璃管时，部分所述1064nm波长的光线被所述掺钐玻璃管吸收；且所述1064nm波长的光线在每次通过所述掺钐的釉层反射时，部分所述1064nm波长的光线被所述掺钐的釉层吸收。

通过采用上述技术方案，激光晶体激发出的1064nm波长的光线照射到聚光腔时，沿空腔内壁的反射面产生指数型增益的光强，即产生受激辐射，受激辐射的光子会消耗激光晶体的储能，为此，在本申请公开的技术方案中，利用掺钐玻璃管的钐元素吸收1064nm波长的光线，以及掺钐的釉层中的钐元素吸收1064nm波长的光线，从而将大部分的设定波光的光线会被钐元素吸收，减少1064nm波长的光线反射产生的受激辐射，减少受激辐射对激光晶体内的储能消耗，即减少激光晶体的储能被横向的受激辐射消耗，激光晶体的储能被整个纵向的正常激光震荡提取的能力增多，以此提升激光晶体的储能，达到提升陶瓷腔电光效率的目的。

可选的，所述掺钐玻璃管中的钐元素的比例介于5%-10%。

通过采用上述技术方案，当掺钐玻璃管中的钐元素比例介于5%-10%，综合了掺钐玻璃管的透光性以及吸收性，既保证了掺钐玻璃管对设定的波段光线的吸收效果，又保证了对泵浦光的透过性。

可选的，所述掺钐的釉层中的钐元素的比例介于5%-10%。

通过采用上述技术方案，当掺钐的釉层中的钐元素比例介于5%-10%，，既保证了掺钐的釉层对1064nm波长的光线的吸收性，又保证了对1064nm波长的光线的反射性。

可选的，所述掺钐玻璃管的管壁厚度介于1mm-3mm。

通过采用上述技术方案，掺钐玻璃管的管壁小于1mm，不仅起不到有效滤光的作用，还易炸裂，大于3mm则会影响泵浦光的透过率，当掺钐玻璃管的管壁厚度为1mm-3mm时，既能保证掺钐玻璃管的滤光作用，还能保证对对泵浦光的透过性。

可选的，所述空腔内填充有冷却流体，所述掺钐玻璃管浸泡在所述冷却流体中。

通过采用上述技术方案，冷却流体用于给空腔内壁、氙灯以及激光晶体散热，带走空腔内的热量。

可选的，所述激光晶体与所述掺钐玻璃管同轴设置，所述激光晶体与所述掺钐玻璃管之间填充有所述冷却流体。

通过采用上述技术方案，同轴设置能够确保激光晶体和掺钐玻璃管之间的冷却流体均匀，便于冷却流体对激光晶体快速散热。

可选的，所述氙灯的数目为若干个，且在所述氙灯的个数为多个时，多个所述氙灯环绕所述掺钐玻璃管排布。

通过采用上述技术方案，氙灯用于向激光晶体提供泵浦光，当氙灯的数目为多个时，氙灯能够增加泵浦光的功率。

可选的，所述掺钐玻璃管为内侧壁和外侧壁均抛光处理的玻璃管。

通过采用上述技术方案，抛光处理能够增加泵浦光的透射率。

可选的，所述掺钐玻璃管为热退火处理的玻璃管。

通过采用上述技术方案，掺钐玻璃管烧结成型后，需要进行热退火处理，增加掺钐玻璃管强度，防止强光照射时炸裂。

第二方面，一种灯泵浦激光器，其特征在于，包括壳体，以及设置在所述壳体内的上述任一项所述的灯泵浦激光器的聚光腔。

通过采用上述技术方案，利用掺钐玻璃管的钐元素吸收1064nm波长的光线，以及掺钐的釉层中的钐元素吸收1064nm波长的光线，从而将大部分的1064nm波长的光线会被钐元素吸收，减少1064nm波长的光线反射产生的受激辐射，减少受激辐射对激光晶体内的储能消耗，即降低激光晶体被横向的受激辐射消耗，激光晶体的被整个纵向的正常激光震荡提取的能量增多，以此提升激光晶体的储能，达到提升陶瓷腔电光效率的目的。

附图说明

图1是实施例一提供的聚光腔结构示意图。

图2是实施例二提供的聚光腔的结构示意图。

图3是实施例三提供的聚光腔的结构示意图。

图4是壳体和聚光腔的结构示意图。

附图标记说明：1、陶瓷腔本体；11、空腔；12、掺钐的釉层；2、水层；3、氙灯；4、掺钐玻璃管；5、激光晶体；6、壳体。

具体实施方式

以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。

实施例一：

本申请实施例一公开一种灯泵浦激光器的聚光腔。参照图1，一种灯泵浦激光器的聚光腔包括陶瓷腔本体1，陶瓷腔本体1内开设有空腔11，陶瓷腔本体1由陶瓷材料烧结而成。

陶瓷腔本体1的空腔11内固设有氙灯3和激光晶体5。氙灯3和激光晶体5穿射于陶瓷腔本体1内，使陶瓷腔本体1包裹于氙灯3和激光晶体5的外侧，陶瓷腔本体1的空腔11给氙灯3提供封闭的泵浦光线反射空间，使氙灯3发射的泵浦光反射到激光晶体5上，激光晶体5发生能级跃迁产生激光增益。

作为一个可选的方案，陶瓷腔本体1的空腔11内有冷却水形成的水层2，空腔11内壁浸泡于冷却水中，冷却水用于给空腔11内壁、氙灯3以及激光晶体5散热，冷却水在陶瓷腔本体1的空腔11内是流动的，从而带走空腔11内的热量。陶瓷腔本体1内侧通水冷却，散热效果好，适合高重频脉冲激光器应用，同时可以满足长期工作稳定、不污染、不老化、免维护，是一种优异的灯泵浦大能量聚光腔。

作为一个可选的方案，激光晶体5可采用常见的人工生长的激光晶体材料，一般为圆柱形的棒状晶体。

作为一个可选的方案，激光晶体5可以为Nd:YAG激光晶体。当然在本申请实施例中还可采用氙灯3可激发出激光的其他类型的激光晶体5，在本申请实施例中不再详细赘述。

氙灯3是将电能转换成光能的发光灯管，发光灯管是圆柱形的玻璃管，内部充有氙气，氙灯3发射泵浦光照射到激光晶体5，激发激光晶体5发射出激光。在氙灯3照射到激光晶体5时，激光晶体5除了激发出纵向的激光（工作激光），还会激发出横向的自激辐射1064nm波长激光，1064nm波长的激光照射到聚光腔时，聚光腔本体1的空腔11内壁对1064nm波长的光线会产生反射，沿空腔11内壁的反射面产生指数型增益的光强，这些光子就是横向ASE(Amplified Stimulated Emission，即受激辐射)，受激辐射的光子会消耗激光晶体5的储能。

为了增大激光晶体5的储能，降低产生的受激辐射的光子对激光晶体5储能的消耗。在本申请实施例提供的聚光腔中设置了一掺钐玻璃管4，掺钐玻璃管4罩设于激光晶体5外，作为一个可选的方案，掺钐玻璃管4和激光晶体5同轴设置。掺钐玻璃管4的形状可为圆形、多边形等不同形状的管状结构。

掺钐玻璃管4中的钐元素是通过在加工玻璃管的过程中将三氧化二钐添加到玻璃的原材料中，最终经烧结而形成含有钐元素的掺钐玻璃管4。在上述制备过程中，三氧化二钐均匀的分布于掺钐玻璃管4中。应理解，在掺钐玻璃管4中的制备过程中，除采用三氧化二钐外，还可采用其他含有钐元素的化合物，在此不一一列举说明。

钐元素吸收1064nm波长的光线的特征，因此，在掺钐玻璃管4中含有钐元素时，可通过钐元素来吸收激光晶体5产生的激光中的1064nm波长激光，因此，通过设置掺钐玻璃管4，能够吸收激光中1064nm波长的光线，从而减少光线反射产生的受激辐射激光，减少受激辐射对激光晶体5内的储能消耗。减少激光晶体5被横向的受激辐射消耗时，激光晶体5被整个纵向的正常激光震荡提取的储能就可视为增加。示例性的，激光晶体5的储能为Q，受激辐射消耗的能量为Q1，纵向的激光震荡消耗的储能为Q2，则满足Q= Q1+ Q2，由上述公式可看出，在Q1减少时，对应的Q2会增大。因此，在采用掺钐玻璃管4降低激光晶体5被横向的受激辐射消耗时，可达到提升陶瓷腔电光效率的效果。因此，在采用掺钐玻璃管4降低激光晶体5被横向的受激辐射消耗时，可达到提升陶瓷腔电光效率的效果。

作为一个可选的方案，掺杂的钐元素的浓度一般在5%-10%，示例性的，三氧化二钐的浓度比例可以为5%、6%、8%、9%、10%等介于5%-10%之间的任意比例浓度，在此不再一一举例说明。

在掺钐玻璃管4的中钐元素的浓度比例介于5%~10%时，掺钐玻璃管4整体呈现淡黄色，掺钐玻璃管4吸收1064nm波长的光线的能力较好，同时，掺钐玻璃管4透过氙灯3照射的光线也比较好。

掺钐玻璃管4的管壁厚度为1mm-3mm，示例性的，掺钐玻璃管4的厚度可以为1mm、2mm、3mm等介于1mm-3mm范围内的任意厚度。由于掺钐玻璃管4的管壁小于1mm起不到有效滤光的作用，还易炸裂，大于3mm则会影响泵浦光的透过率，掺钐玻璃管4的管壁厚度为1mm-3mm时，不影响吸对1064nm波长的光线的吸收，即保证对1064nm波长的光线的滤光性，还能确保对泵浦光的透过率也较好。

应理解，上述掺钐玻璃管4的厚度以及掺钐玻璃管4中钐元素的比例，是综合考虑掺钐玻璃管4的吸收1064nm波长的光线（吸收光线）以及透过氙灯3照射激光晶体5的光线（透射光线）的结果，通过掺钐玻璃管4的厚度以及钐元素的浓度的配合，平衡上述吸收光线和投射光线的效果，从而既保证了降低1064nm光线对激光晶体5储能的浪费，同时又保证了氙灯3发射出的光线可更多的照射到激光晶体5。

作为一个可选方案，加工掺钐玻璃管4的过程中，掺钐玻璃管4内侧壁和外侧壁均通过抛光处理，以增加泵浦光的透射率；掺钐玻璃管4烧结成型后，通过热退火处理，增加掺钐玻璃管4强度，防止强光照射时炸裂。

掺钐玻璃管4内壁与激光晶体5之间留有间隙，间隙用于供冷却水通过形成水层2，水层2有助于激光晶体5的快速散热。掺钐玻璃管4内壁与激光晶体5之间的水层2厚度一般在0.5mm-3mm之间。示例性的，水层2厚度可以为0.5mm、1mm、2mm等介于1mm-3mm范围内的任意厚度。

陶瓷腔本体1的内壁涂覆有掺钐的釉层12，釉层本身具有增强陶瓷强度，使陶瓷器增加机械强度、热稳定性强度以及防止液体、气体的侵蚀。当釉层中含有钐元素时，可通过钐元素吸收激光晶体5产生的激光中的1064nm波长激光。掺钐的釉层12中的钐元素是通过在釉层的原材料中添加三氧化二钐，然后将掺钐的釉层12涂料涂覆到陶瓷腔本体1内，最终对陶瓷腔本体1和掺钐的釉层经高温烧结形成带有掺钐的釉层12的陶瓷腔本体1。

作为一个可选方案，掺钐的釉层12中掺杂的钐元素的浓度也为5%-10%，示例性的，三氧化二钐的浓度比例可以为5%、6%、8%、9%、10%等不介于5%-10%之间的任意比例浓度，在此不再一一举例说明。掺钐的釉层12中掺杂的钐元素的浓度也为5%-10%时，掺钐的釉层12对1064nm波长的光线的吸收能力较好。

当激光晶体5产生的激光照射至陶瓷腔本体1内壁时，掺钐的釉层12也会对1064nm波长的光线进行反射，同时能够吸收激光中的1064nm波长的光线，反射的1064nm波长的光线在陶瓷腔本体1的空腔11的反射面来回震荡，震荡的1064nm波长的光线穿过掺钐玻璃管4，掺钐玻璃管4吸收激光中的1064nm波长的光线，掺钐的釉层12能吸收1064nm波长的光线，减少激光晶体5在降低被横向的受激辐射消耗时，激光晶体5被整个纵向的正常激光震荡提取的储能就可视为增加，以此提升激光晶体5的储能，达到提升陶瓷腔的电光效率。

本申请实施例一的一种灯泵浦激光器的聚光腔的实施原理为：氙灯3产生的泵浦光照射在激光晶体5上，激光晶体5产生激光，产生的激光穿过掺钐玻璃管4后照射于陶瓷腔本体1的内壁，掺钐玻璃管4中的钐元素能够吸收激光中的1064nm波长的光线，进而减少1064nm波长的光线照射到陶瓷腔本体1的内壁，陶瓷腔本体1内壁掺钐的釉层12能够吸收激光中的1064nm波长的光线，进而减少1064nm波长的光线产生的横向受激辐射，减少横向受激辐射对激光晶体5的储能的消耗，提升陶瓷腔的电光效率，实现晶体储能。

实施例二：

本申请实施例二公开一种灯泵浦激光器的聚光腔。参照图2，与实施例一的不同之处在于，陶瓷腔本体1的空腔11内氙灯3为两个，两个氙灯3对称设置于激光晶体5的两侧，两只氙灯3能够增加泵浦光的功率；陶瓷腔本体1的空腔11呈菱形设置，便于空腔11内壁对泵浦光进行反射。

本申请实施例二公开一种灯泵浦激光器的聚光腔的的实施原理为：实施原理和实施例一中的实施原理相同，此处不再赘述。

实施例三：

本申请实施例三公开一种灯泵浦激光器的聚光腔，参照图3，与实施例一的不同之处在于，陶瓷腔本体1的空腔11内氙灯3为四个，四个氙灯3沿激光晶体5的周向均匀分布，四只氙灯3能够增加泵浦光的功率；陶瓷腔本体1的空腔11呈十字花瓣的形状，便于空腔11内壁对泵浦光进行反射，使泵浦光能够照射到激光晶体5上，激光晶体5的直径一般＞15mm。

本申请实施例三公开一种灯泵浦激光器的聚光腔的实施原理为：实施原理和实施例一中的实施原理相同，此处不再赘述。

结合实施例一、实施例二以及实施例三可得本申请实施例提供的聚光腔中的氙灯3的个数不作具体限定，可以为一个、两个和四个，但应理解本申请实施例提供的氙灯3不仅限于上述示例的个数，还可为三个、五个等不同的个数，即本申请实施例提供的氙灯3可为若干个。另外，在氙灯3的个数为多个时，在设置氙灯3时，多个氙灯3环绕掺钐玻璃管4排布，以使得更多的光线可直接照射到激光晶体5。

本申请实施例还提供了一种灯泵浦激光器，参见图4，该灯泵浦激光器包括壳体6，以及设置在壳体6内的上述实施例中的灯泵浦激光器的聚光腔。其中，壳体6作为一个承载结构，用以承载聚光腔，壳体6的形状可根据实际需要设定，在本申请实施例中不做具体限定。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种灯泵浦激光器的聚光腔，包括陶瓷腔本体(1)，陶瓷腔本体(1)内开设有空腔(11)，空腔(11)内设置有氙灯(3)和激光晶体(5)，其特征在于：

所述激光晶体(5)外罩设有掺钐玻璃管(4)；

所述陶瓷腔本体(1)的空腔(11)内壁涂覆有掺钐的釉层(12)；

所述氙灯(3)照射到所述激光晶体(5)，激发所述激光晶体(5)发射发射1064nm波长的光线，所述1064nm波长的光线穿所述掺钐玻璃管(4)，并通过所述掺钐的釉层(12)在所述空腔(11)内多次反射；其中，所述1064nm波长的光线在每次穿过所述掺钐玻璃管(4)时，部分所述1064nm波长的光线被所述掺钐玻璃管(4)吸收；且所述1064nm波长的光线在每次通过所述掺钐的釉层(12)反射时，部分所述1064nm波长的光线被所述掺钐的釉层(12)吸收。

2.根据权利要求1所述的灯泵浦激光器的聚光腔，其特征在于：所述掺钐玻璃管(4)中的钐元素的比例介于5%-10%。

3.根据权利要求1所述的灯泵浦激光器的聚光腔，其特征在于：所述掺钐的釉层(12)中的钐元素的比例介于5%-10%。

4.根据权利要求1所述的灯泵浦激光器的聚光腔，其特征在于：所述掺钐玻璃管(4)的管壁厚度介于1mm-3mm。

5.根据权利要求1所述的灯泵浦激光器的聚光腔，其特征在于：所述空腔(11)内填充有冷却流体，所述掺钐玻璃管(4)浸泡在所述冷却流体中。

6.根据权利要求5所述的灯泵浦激光器的聚光腔，其特征在于：所述激光晶体(5)与所述掺钐玻璃管(4)同轴设置，所述激光晶体(5)与所述掺钐玻璃管(4)之间填充有所述冷却流体。

7.根据权利要求1所述的灯泵浦激光器的聚光腔，其特征在于：所述氙灯(3)的数目为若干个，且在所述氙灯(3)的个数为多个时，多个所述氙灯(3)环绕所述掺钐玻璃管(4)排布。

8.根据权利要求1~7任一项所述的灯泵浦激光器的聚光腔，其特征在于：所述掺钐玻璃管(4)为内侧壁和外侧壁均抛光处理的玻璃管。

9.根据权利要求8所述的一种灯泵浦激光器的聚光腔，其特征在于：所述掺钐玻璃管(4)为热退火处理的玻璃管。

10.一种灯泵浦激光器，其特征在于，包括壳体(6)，以及设置在所述壳体(6)内的如权利要求1~9任一项所述的灯泵浦激光器的聚光腔。

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