CN114784600B - 空间阶梯均匀泵浦的固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间阶梯均匀泵浦的固体激光器。空间阶梯均匀泵浦的固体激光器，包括：棒状增益介质；围绕所述棒状增益介质的侧面、且沿所述棒状增益介质的长度方向阶梯型排布的多个泵浦单元；散热结构，设于所述棒状增益介质的侧面。采用本发明，可以实现高功率泵浦、高散热效率、低热效应，且具有结构简单紧凑、散热系统稳定且易于实现与维护等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种空间阶梯均匀泵浦的固体激光器。
背景技术
全固态激光系统通常采用的泵浦方式包括端面泵浦和侧面泵浦，常用的激光增益介质形状包括棒状、板条状、和薄片状。在高功率泵浦的棒状激光器中，棒状增益介质的温度梯度方向与激光传输方向垂直，热效应较明显。
为降低棒状介质的热效应，相关技术中常采用复杂庞大的液冷散热系统，增加了激光器系统的成本和体积，同时也降低了激光系统的稳定性，缩短了激光寿命。
发明内容
本发明实施例提供一种空间阶梯均匀泵浦的固体激光器，用以解决现有技术中高功率泵浦情况下棒状激光器增益介质热效应高的问题。
根据本发明实施例的空间阶梯均匀泵浦的固体激光器，包括：
棒状增益介质；
围绕所述棒状增益介质的侧面、且沿所述棒状增益介质的长度方向阶梯型排布的多个泵浦单元；
散热结构，设于所述棒状增益介质的侧面。
根据本发明的一些实施例，所述泵浦单元为激光二极管叠阵。
根据本发明的一些实施例，所述激光二极管叠阵包括第一激光二极管巴条和第二激光二极管巴条，所述第一激光二极管巴条位于所述棒状增益介质和所述第二激光二极管巴条之间，所述第一激光二极管巴条的体积小于所述第二激光二极管巴条的体积。
根据本发明的一些实施例，所述多个泵浦单元的个数为N，所述N满足：
其中，Epump表示所述多个泵浦单元的目标总能量，ELDA表示所述泵浦单元的输出能量。
根据本发明的一些实施例，所述Epump满足：
Epump＝Esave/ηcoupηTηabsηQηStokesηstηASE，
其中，Esave表示所述固体激光器的目标最小储能，ηcoup表示所述固体激光器的的耦合效率，ηT表示所述棒状增益介质的透过率，ηabs表示所述棒状增益介质的吸收效率，ηQ表示所述棒状增益介质的荧光量子效率，ηStokes表示斯托克斯效率，ηst表示上能级存储效率，ηASE表示自发辐射放大产生的损耗系数。
根据本发明的一些实施例，在所述棒状增益介质的周向方向上，任意两个相邻的所述泵浦单元之间的夹角均为θ，所述θ满足：
其中，k表示正整数。
根据本发明的一些实施例，在所述棒状增益介质的长度方向上，所述棒状增益介质的长度为L，所述泵浦单元的长度为l，所述L和所述l满足：
L≥N·l。
根据本发明的一些实施例，所述棒状增益介质上没有被所述多个泵浦单元的泵浦光入射的侧面区域均设置有散热结构。
采用本发明实施例，可以实现高功率泵浦、高散热效率、低热效应，且具有结构简单紧凑、散热系统稳定且易于实现与维护等优点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例中空间阶梯均匀泵浦的固体激光器的三维结构示意图；
图2是本发明实施例中空间阶梯均匀泵浦的固体激光器的横截面结构示意图；
图3是本发明实施例中空间阶梯均匀泵浦的固体激光器在周向方向上所示的两个泵浦单元的排布示意图；
图4是本发明实施例中棒状增益介质的等效泵浦分布图；
图5是本发明实施例中棒状增益介质的等效温度分布示意图；
图6是本发明实施例中棒状增益介质的波前分布示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。另外，在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
参照图1所示，本发明实施例的空间阶梯均匀泵浦的固体激光器，包括：
棒状增益介质10；棒状增益介质10的侧面构造形成泵浦面，用于实现侧面泵浦。信号光从棒状增益介质10的一端的端面入射，从另一端的端面出射。
围绕棒状增益介质10的侧面、且沿棒状增益介质10的长度方向阶梯型排布的多个泵浦单元11；可以理解，棒状增益介质10周围排布有多个泵浦单元11，多个泵浦单元11围绕棒状增益介质10的侧面排布。在棒状增益介质10的周向方向上，即从棒状增益介质10的端面视图看，多个泵浦单元11排列形成一个外套于棒状增益介质10的圆；在棒状增益介质10的长度方向上，即从棒状增益介质10的侧面视图看，多个泵浦单元11依次从棒状增益介质10的一端排布至另一端。泵浦单元11用于向棒状增益介质10入射泵浦光。
散热结构12，设于棒状增益介质10的侧面。散热结构12用于对固体激光器进行散热。
采用本发明实施例，提高了棒状增益介质内泵浦光整体分布的均匀性和温度分布的均匀性。泵浦光分布的均匀性提高了棒状增益介质整体增益的均匀度，而均匀增益是实现高光束质量高功率激光的关键。温度分布的均匀性，降低了温度梯度带来的激光波前畸变，关键性的解决了高功率运转的棒状激光器热畸变对光束质量影响较大的问题。可以实现高功率泵浦、高散热效率、低热效应，且具有结构简单紧凑、散热系统稳定且易于实现与维护等优点。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
参照图2-图3所示，根据本发明的一些实施例，泵浦单元11为激光二极管叠阵。泵浦单元11包括多个激光二极管巴条，多个激光二极管巴条层叠设置。
参照图2-图3所示，根据本发明的一些实施例，激光二极管叠阵包括第一激光二极管巴条111和第二激光二极管巴条112，第一激光二极管巴条111位于棒状增益介质10和第二激光二极管巴条112之间，第一激光二极管巴条111的体积小于第二激光二极管巴条112的体积。
需要说明的是，这里所用到的修饰词第一、第二不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。
根据本发明的一些实施例，多个泵浦单元11的个数为N，N满足：
其中，Epump表示多个泵浦单元的目标总能量，根据实际使用需求确定，ELDA表示泵浦单元的输出能量。
根据本发明的一些实施例，Epump满足：
Epump＝Esave/ηcoupηTηabsηQηStokesηstηASE，
其中，Esave表示固体激光器的目标最小储能，根据实际使用需求确定。
ηcoup表示固体激光器的的耦合效率。ηcoup一般不低于95％。
ηT表示棒状增益介质的透过率。ηT一般不低于99％。
ηabs表示棒状增益介质的吸收效率。ηabs一般不低于90％。
ηQ表示棒状增益介质的荧光量子效率。例如，当棒状增益介质选择Nd:YAG晶体时，ηQ约为1。
ηStokes表示斯托克斯效率。ηStokes为激光频率νL与泵浦光频率νP之比。
ηst表示上能级存储效率。上能级存储效率由增益介质本身参数与激光运转的能级寿命相关。
ηASE表示自发辐射放大产生的损耗系数。ηASE的数值与棒状增益介质和泵浦单元的参数关系较大，一般采取抑制自发辐射放大的措施后，ηASE一般不低于80％。
参照图3，根据本发明的一些实施例，在棒状增益介质10的周向方向上，任意两个相邻的泵浦单元11之间的夹角均为θ，θ满足：
其中，k表示正整数。K可以取1、...N/2中任一正整数。
根据本发明的一些实施例，在棒状增益介质的长度方向上，棒状增益介质的长度为L，泵浦单元的长度为l，L和l满足：
L≥N·l。
参照图1和图2所示，根据本发明的一些实施例，棒状增益介质10上没有被多个泵浦单元11的泵浦光入射的侧面区域均设置有散热结构12。
参照图2所示，在本发明的一些实施例中，散热结构12紧贴棒状增益介质10的侧面设置。
参照图2所示，在本发明的一些实施例中，散热结构12可以包括多个散热单元，多个散热单元沿棒状增益介质10的长度方向排布。散热单元具有一个缺口的环形，散热结构12外套于棒状增益介质10，散热结构12的缺口适于容纳泵浦单元11。
下面参照图1-图6以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的空间阶梯均匀泵浦的固体激光器。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
参照图1-图3所示，本发明提供了一种空间阶梯均匀泵浦的固体激光器，该激光器易于实现高功率泵浦、低热效应、高功率高光束质量输出，适用于紧凑型高功率棒状激光系统。
详细的，本发明实施例的空间阶梯均匀泵浦的固体激光器，包括：侧面泵浦的棒状增益介质10、泵浦源、散热结构12。其中，棒状增益介质10在整个固体激光器的中心位置，棒状增益介质10的侧面作为泵铺面。
泵浦源包括多个泵浦单元11，泵浦单元11为激光二极管叠阵，多个激光二极管叠阵围绕棒状增益介质10的侧面、且沿棒状增益介质10的长度方向阶梯型排布。每个激光二极管叠阵包含多个激光二极管巴条。
侧面的激光二极管叠阵在棒状增益介质方向上的长度l与激光二极管叠阵的个数N与棒状增益介质的长度L有关，满足：
L≥N·l
相邻两个激光二极管叠阵之间在轴向上有个夹角θ，满足以使每个叠阵呈阶梯型交错排列。其中k为正整数。
通常根据使用需求即可确定放大器系统的最小储能量Esave，之后根据系统所需的储能Esave来确定泵浦源的总能量Epump，再通过Epump和单个激光二极管叠阵的输出能量ELDA来确定激光二极管叠阵的数量N，可由如下公式描述：
Epump＝Esave/ηcoupηTηabsηQηStokesηstηASE
其中ηcoup为泵浦耦合系统的耦合效率(一般不低于95％)，ηT为介质泵浦面的透过率(一般不低于99％)，ηabs为介质对泵浦光的吸收效率(一般不低于90％)，ηQ为激光放大器中增益介质的荧光量子效率(如Nd:YAG晶体约为1)，ηStokes为斯托克斯效率(它为激光频率νL与泵浦光频率νP之比)，ηst为上能级存储效率，ηASE为自发辐射放大产生的损耗系数(此数值与增益介质和泵浦参数关系较大，一般采取抑制自发辐射放大的措施后，ηASE一般不低于80％)。
散热结构12在激光二极管叠阵出射光束方向的对侧紧贴增益介质侧面，即在没有被入射的泵浦光占用的侧面区域全部用来传导冷却散热，散热结构12的排列方式与泵浦单元11类似。
散热结构12为传导冷却型。散热结构12为热沉。散热结构12与棒状增益介质10的侧面直接热接触。整个激光器系统完全是传导冷却，可以做到被动散热。
采用本发明实施例，棒状增益介质的侧面为泵铺面，泵浦光在增益介质侧面交错叠加排列，在信号光传输方向上，即棒状增益介质长度方向，最终叠加后的等效泵浦光分布为中心对称的均匀型，以致于棒状增益介质的整体增益为均匀增益，最后得到一个等效泵浦分布的结果，呈中心对称的均匀分布，参照图4；
棒状增益介质的侧面也是散热面。散热接触面相对泵浦面尺寸较大，在一定泵浦功率的情况下可以实现被动散热。每个散热单元与泵浦单元同样为交错排列，这样棒状增益介质整体的热效应为中心对称型，整体为均匀散热，散热方式在信号光传输方向上同样得到一个等效的整体分布结果，也呈中心对称的均匀分布，参考图5；
信号光从棒状增益介质圆端面入射，从另一圆端面出射，整个系统的热效应导致信号光产生波前光程差，从而导致波前畸变，参考图6，如图可知这种散热结构和散热模式最终产生的波前畸变较小，波前光程差变化平缓，同样呈中心对称的均匀分布。
综上，本发明实施例的固体激光器提高了棒状介质内泵浦光整体分布的均匀性和温度分布的均匀性。泵浦光分布的均匀性提高了介质整体增益的均匀度，而均匀增益是实现高光束质量高功率激光的关键。其次，温度分布的均匀性，降低了温度梯度带来的激光波前畸变，关键性的解决了高功率运转的棒状激光器热畸变对光束质量影响较大的问题。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
不应将位于括号之内的任何参考符号构造成对权利要求的限制。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
Claims (1)
1.一种空间阶梯均匀泵浦的固体激光器，其特征在于，包括：
棒状增益介质；
围绕所述棒状增益介质的侧面、且沿所述棒状增益介质的长度方向阶梯型排布的多个泵浦单元；
散热结构，设于所述棒状增益介质的侧面；
所述泵浦单元为激光二极管叠阵；
所述激光二极管叠阵包括第一激光二极管巴条和第二激光二极管巴条，所述第一激光二极管巴条位于所述棒状增益介质和所述第二激光二极管巴条之间，所述第一激光二极管巴条的体积小于所述第二激光二极管巴条的体积；
所述多个泵浦单元的个数为N，所述N满足：
其中，Epump表示所述多个泵浦单元的目标总能量，ELDA表示所述泵浦单元的输出能量；
所述Epump满足：
Epump＝Esave/ηcoupηTηabsηQηStokesηstηASE，
其中，Esave表示所述固体激光器的目标最小储能，ηcoup表示所述固体激光器的的耦合效率，ηT表示所述棒状增益介质的透过率，ηabs表示所述棒状增益介质的吸收效率，ηQ表示所述棒状增益介质的荧光量子效率，ηStokes表示斯托克斯效率，ηst表示上能级存储效率，ηASE表示自发辐射放大产生的损耗系数；
在所述棒状增益介质的周向方向上，任意两个相邻的所述泵浦单元之间的夹角均为θ，所述θ满足：
其中，k表示正整数；
在所述棒状增益介质的长度方向上，所述棒状增益介质的长度为L，所述泵浦单元的长度为l，所述L和所述l满足：
L≥N·l；
所述棒状增益介质上没有被所述多个泵浦单元的泵浦光入射的侧面区域均设置有散热结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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