CN116014542A - 一种内冷却薄片激光器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内冷却薄片激光器及制备方法，包括：自一侧至另一侧依次设置的热沉、高反层、内冷却薄片增益介质、高透层、无源层和输出镜，内冷却薄片增益介质通过光学耦合系统与泵浦光源相连；内冷却薄片增益介质包括薄片增益介质，薄片增益介质上形成有周期性微孔、冷却微孔和微通道；其中，周期性微孔垂直于薄片增益介质的出光面以构成光子阵列，用于限制薄片增益介质中产生光场，形成阵列光场；冷却微孔呈阵列布设在周期性微孔的外侧且垂直于薄片增益介质的出光面，冷却微孔与微通道相连通以构成内冷却通道；热沉上设有与内冷却通道相连通的冷却液入口和冷却液出口，内冷却通道内流通的冷却液不扰动光在薄片增益介质中的传播。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种内冷却薄片激光器及制备方法。
背景技术
薄片激光器被认为是近期来激光技术最著名的进展之一，它基于一种革命性的固体激光器的设计理念，薄片激光器增益介质的热梯度方向与输出激光方向平行，薄片增益介质具有高泵浦功率密度而不产生明显的温度梯度，理论上能克服传统激光器高功率和高亮度无法逾越的矛盾，具有输出光束接近衍射极限的潜力，近年来已成为科研和工业加工的得力助手。
为实现薄片增益介质在强泵浦条件下获得高功率和高光束质量的激光输出，良好的散热是必要的。目前通常将增益介质通过焊接或机械方式固定在热沉上并采用水冷、风冷、半导体制冷等散热手段，在介质内部和热传导截面会产生温度梯度，传统散热手段无法及时有效将介质内废热排除。泵浦功率的升高伴随着增益介质内温度的不断升高，使增益介质内部形成非均匀的温度场分布从而引起介质中热应力的产生，热应力会使固体增益介质产生热透镜效应、热致双折射和热应力损伤等问题，从而使通过增益介质的激光波前发生一定的畸变，使激光器输出激光的光束质量下降，还会使增益介质寿命减少，不利于激光器的长期稳定工作。
因此，薄片激光器的有效散热问题成为了目前高功率薄片激光器所亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种内冷却薄片激光器及制备方法。
本发明公开了一种内冷却薄片激光器，包括：自一侧至另一侧依次设置的热沉、高反层、内冷却薄片增益介质、高透层、无源层和输出镜，所述内冷却薄片增益介质通过光学耦合系统与泵浦光源相连；
所述内冷却薄片增益介质包括薄片增益介质，所述薄片增益介质上形成有周期性微孔、冷却微孔和微通道；其中，
所述周期性微孔垂直于薄片增益介质的出光面以构成光子阵列，用于限制所述薄片增益介质中产生光场，形成阵列光场；所述冷却微孔呈阵列布设在所述周期性微孔的外侧且垂直于薄片增益介质的出光面，所述冷却微孔与微通道相连通以构成内冷却通道；所述热沉上设有与所述内冷却通道相连通的冷却液入口和冷却液出口，所述内冷却通道内流通的冷却液不扰动光在薄片增益介质中的传播。
作为本发明的进一步改进，所述周期性微孔的孔径小于所述冷却微孔的孔径，所述周期性微孔由多个多边形微孔阵列构成，每个多边形微孔阵列的微孔贯穿薄片增益介质厚度方向；所述冷却微孔在每个多边形微孔阵列外侧以相同的多边形阵列布设，且每个冷却微孔贯穿薄片增益介质厚度方向；所述微通道形成在上述薄片增益介质的表面，且两端连接相邻的两个冷却微孔。
作为本发明的进一步改进，所述热沉上设有与所述冷却微孔对应的冷却液通道，所述冷却液通道与所述冷却液入口和冷却液出口相连通，或者，所述冷却液通道中的一个或多个通道作为冷却液入口、剩余的一个或多个通道作为冷却液出口。
作为本发明的进一步改进，所述热沉包括但不限于金刚石、碳化硅和铝中的一种，所述内冷却薄片增益介质采用机械夹固方式固定在所述热沉上；通过所述热沉向所述内冷却薄片增益介质的内冷却通道中注入冷却液，所述冷却液包括但不限于水、酒精和氟利昂中的一种；
所述无源层采用透明材料，用于挡住冷却液防止其从后端面流出，使冷却液实现在内冷却通道中的循环。
作为本发明的进一步改进，所述薄片增益介质由含有一种或多种掺杂元素的透明材料构成，所述掺杂元素包括但不限于Yb、Er、Y中的一种或多种，所述透明材料包括但不限于玻璃材料、蓝宝石、晶体中的一种；
所述泵浦光源包括但不限于半导体激光器、汞灯、氙灯、氪灯、闪光灯中的一种，泵浦方式为端面泵浦。
作为本发明的进一步改进，所述高反层对所述内冷却薄片增益介质形成的振荡激光高反，所述高透层对所述内冷却薄片增益介质形成的振荡激光高透；
所述输出镜对所述内冷却薄片增益介质形成的振荡激光半反半透，所述输出镜制备在所述无源层后表面或采用分立光学透镜。
本发明还公开了一种内冷却薄片激光器的制备方法，包括：
制备内冷却薄片增益介质：
将飞秒激光光束聚焦到薄片增益介质内部或表面，通过激光直写使周期性微孔、冷却微孔区域发生改性；抛光薄片增益介质上下表面，漏出改性区域；将薄片增益介质置于腐蚀液中，腐蚀液对改性后区域进行选择性腐蚀，得到周期性微孔和冷却微孔；在薄片增益介质表面，利用激光加工得到微通道；
在内冷却薄片增益介质的两面分别镀有高反层和高透层；
将内冷却薄片增益介质的高反层一侧安装在热沉上；
将内冷却薄片增益介质的高透层一侧依次设有无源层和输出镜；
将泵浦光源通过光学耦合系统入射至内冷却薄片增益介质中。
作为本发明的进一步改进，采用浸没透镜聚焦将飞秒激光的光斑聚焦在薄片增益介质内部或表面，其中聚焦光斑尺寸小于1um，激光功率为1～10mW，偏振为线偏振或圆偏振。
作为本发明的进一步改进，所述腐蚀液包括但不限于磷酸、氢氟酸、盐酸中的一种，腐蚀温度包括但不限于室温或加热。
作为本发明的进一步改进，通过多次写入或增加功率的手段，使所述冷却微孔相对于所述周期性微孔经飞秒激光直写后的改性区域大，所述冷却微孔腐蚀后直径大于周期性微孔的直径。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过结合飞秒激光加工、化学腐蚀及激光加工技术，制备了一种含有周期性微孔、冷却微孔及微通道的内冷却薄片增益介质，其中周期性微孔构成光子晶体阵列，用于限制薄片增益介质中产生光场，形成阵列光场，能够减小温度场分布不均引起的热应力；冷却微孔与微通道结构相连形成冷却通道，通过热沉循环向冷却通道注入冷却液体，可以高效导出薄片内的热沉积，减弱增益介质内热透镜效应；本发明可大幅增加薄片增益介质厚度，以提高增益离子数量，有利于实现高功率、散热快、输出光束稳定的薄片激光器及其工业化生产与应用。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的内冷却薄片增益介质的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的内冷却薄片激光器的结构示意图。
图中：
1、薄片增益介质；2、冷却微孔；3、周期性微孔；4、微通道；5、高透层；6、高反层；7、无源层；8、热沉；9、泵浦光源；10、光学耦合系统；11、输出镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1、2所示，本发明提供一种内冷却薄片激光器，包括：内冷却薄片增益介质、高透层5、高反层6、无源层7、热沉8、输出镜11、光学耦合系统10和泵浦光源9；其中，内冷却薄片增益介质包括薄片增益介质1，薄片增益介质1上形成有周期性微孔3、冷却微孔2和微通道4；内冷却薄片增益介质的两侧分别镀有高透层5和高反层6，内冷却薄片增益介质的高反层6一侧安装有热沉8，内冷却薄片增益介质的高透层5一侧依次设有无源层7、热沉8和输出镜11，内冷却薄片增益介质通过光学耦合系统10与泵浦光源9相连；泵浦光源9产生的泵浦光对内冷却薄片增益介质进行端面泵浦，内冷却薄片增益介质内形成稳定的振荡激光从输出镜11输出。
具体的：
如图2所示，本发明的周期性微孔3垂直于薄片增益介质1的出光面以构成光子阵列，用于限制薄片增益介质1中产生光场，形成阵列光场；优选周期性微孔3由多个多边形微孔阵列构成，如图2所示的六边形微孔阵列；每个多边形微孔阵列的微孔贯穿薄片增益介质厚度方向；冷却微孔2呈阵列布设在周期性微孔3的外侧且垂直于薄片增益介质1的出光面，冷却微孔2在每个多边形微孔阵列外侧以相同的多边形阵列(如六边形阵列)布设，且每个冷却微孔2贯穿薄片增益介质厚度方向，周期性微孔3的孔径小于冷却微孔2的孔径；上述冷却微孔2和周期性微孔3的布设可保证冷却微孔2对薄片增益介质1的充分散热；冷却微孔2与微通道4相连通以构成内冷却通道，优选微通道4形成在上述薄片增益介质1的表面，且两端连接相邻的两个冷却微孔2。
进一步，本发明的薄片增益介质1由含有一种或多种掺杂元素的透明材料构成，掺杂元素包括但不限于Yb、Er、Y中的一种或多种，透明材料包括但不限于玻璃材料、蓝宝石、晶体中的一种；周期性微孔3的直径为约0.1mm，冷却微孔2的直径为约为1mm，微通道4的直径约为0.5mm。
本发明的热沉8上设有与内冷却通道相连通的冷却液入口和冷却液出口，使内冷却通道内流通的冷却液不扰动光在薄片增益介质1中的传播；其中，热沉8上设有与冷却微孔2对应的冷却液通道，冷却液通道与冷却液入口和冷却液出口相连通，或者，冷却液通道中的一个或多个通道作为冷却液入口、剩余的一个或多个通道作为冷却液出口。优选热沉8包括但不限于金刚石、碳化硅和铝中的一种，内冷却薄片增益介质采用机械夹固方式固定在热沉8上；通过热沉8向内冷却薄片增益介质的内冷却通道中注入冷却液，冷却液包括但不限于水、酒精和氟利昂中的一种，可通过改变冷却液流速控制薄片增益介质的冷却速度；本发明的无源层7采用透明材料，用于挡住冷却液防止其从后端面流出，使冷却液实现在内冷却通道中的循环。
本发明的泵浦光源包括但不限于半导体激光器、汞灯、氙灯、氪灯、闪光灯中的一种，泵浦方式为端面泵浦；高反层6对内冷却薄片增益介质形成的振荡激光高反，高透层5对内冷却薄片增益介质形成的振荡激光高透；输出镜11对内冷却薄片增益介质形成的振荡激光半反半透，输出镜11制备在无源层后表面或采用分立光学透镜。
本发明提供一种内冷却薄片激光器的制备方法，包括：
步骤1、制备内冷却薄片增益介质：
步骤11、将飞秒激光光束聚焦到薄片增益介质内部或表面；其中，采用浸没透镜聚焦将飞秒激光的光斑聚焦在薄片增益介质内部或表面，其中聚焦光斑尺寸小于1um，激光功率为1～10mW，偏振为线偏振或圆偏振；
步骤12、通过激光直写使周期性微孔、冷却微孔区域发生改性；其中，通过多次写入或增加功率的手段，使冷却微孔相对于周期性微孔经飞秒激光直写后的改性区域大，进而使冷却微孔腐蚀后直径大于周期性微孔的直径；
步骤13、抛光薄片增益介质上下表面，漏出改性区域；
步骤14、将薄片增益介质置于腐蚀液中，腐蚀液对改性后区域进行选择性腐蚀，得到周期性微孔和冷却微孔；其中，腐蚀液包括但不限于磷酸、氢氟酸、盐酸中的一种，腐蚀温度包括但不限于室温或加热；
步骤15、在薄片增益介质表面，利用激光加工得到微通道；
步骤2、在内冷却薄片增益介质的两面分别镀有高反层和高透层；
步骤3、将内冷却薄片增益介质的高反层一侧安装在热沉上；
步骤4、将内冷却薄片增益介质的高透层一侧依次设有无源层和输出镜；
步骤5、将泵浦光源通过光学耦合系统入射至内冷却薄片增益介质中。
本发明的工作原理为：
泵浦光源通过光学耦合系统到达内冷却薄片增益介质，对薄片增益介质进行端面泵浦；内冷却薄片增益介质中的周期性微孔形用于限制内冷却薄片增益介质中光场的产生，形成六边形阵列光场，冷却微孔及微通道构成内冷却通道。当使用泵浦光源对薄片增益介质进行多侧强泵浦时会产生大量热，若不进行处理，薄片增益介质势必会产生大的温度梯度，其内部会产生应力甚至会产生变形，使得薄片激光器输出激光不稳定且不利于薄片激光器输出功率与光斑亮度的提高。通过热沉向薄片增益介质中通一定流速的冷却液体，可迅速稳定降低薄片增益介质的温度梯度，且具有良好导热性能的热沉材料可有效传导出薄片增益介质的废热，具有较高的换热效率且采用热膨胀系数较低的热沉材料，能够有效减小薄片增益介质的变形，减少其内部应力，有利于薄片增益介质中的激光形成稳定振荡。内冷却薄片增益介质内形成稳定的振荡激光后，振荡激光通过高透层到达玻璃材料的无源层，振荡激光通过无源层后传播至输出镜实现激光的输出。
本发明的优点为：
本发明的内冷却方式能够达到良好的热传导和冷却效果，减少热效应，进而实现高亮度大功率激光输出，且本发明内冷却薄片增益介质的冷却方式简单易操作，冷却液体的冷却效果明显且材料易得价格低廉，后期维护成本低，通过此冷却系统可大幅提高薄片厚度，提高增益离子数量，有利于薄片激光器输出功率的提高，保证内冷却薄片激光器的稳定性和寿命，能够促进薄片激光器的大规模生产和工业化利用。
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。
Claims (10)
1.一种内冷却薄片激光器，其特征在于，包括：自一侧至另一侧依次设置的热沉、高反层、内冷却薄片增益介质、高透层、无源层和输出镜，所述内冷却薄片增益介质通过光学耦合系统与泵浦光源相连；
所述内冷却薄片增益介质包括薄片增益介质，所述薄片增益介质上形成有周期性微孔、冷却微孔和微通道；其中，
所述周期性微孔垂直于薄片增益介质的出光面以构成光子阵列，用于限制所述薄片增益介质中产生光场，形成阵列光场；所述冷却微孔呈阵列布设在所述周期性微孔的外侧且垂直于薄片增益介质的出光面，所述冷却微孔与微通道相连通以构成内冷却通道；所述热沉上设有与所述内冷却通道相连通的冷却液入口和冷却液出口，所述内冷却通道内流通的冷却液不扰动光在薄片增益介质中的传播。
2.如权利要求1所述的内冷却薄片激光器，其特征在于，所述周期性微孔的孔径小于所述冷却微孔的孔径，所述周期性微孔由多个多边形微孔阵列构成，每个多边形微孔阵列的微孔贯穿薄片增益介质厚度方向；所述冷却微孔在每个多边形微孔阵列外侧以相同的多边形阵列布设，且每个冷却微孔贯穿薄片增益介质厚度方向；所述微通道形成在上述薄片增益介质的表面，且两端连接相邻的两个冷却微孔。
3.如权利要求1或2所述的内冷却薄片激光器，其特征在于，所述热沉上设有与所述冷却微孔对应的冷却液通道，所述冷却液通道与所述冷却液入口和冷却液出口相连通，或者，所述冷却液通道中的一个或多个通道作为冷却液入口、剩余的一个或多个通道作为冷却液出口。
4.如权利要求1或2所述的内冷却薄片激光器，其特征在于，所述热沉包括但不限于金刚石、碳化硅和铝中的一种，所述内冷却薄片增益介质采用机械夹固方式固定在所述热沉上；通过所述热沉向所述内冷却薄片增益介质的内冷却通道中注入冷却液，所述冷却液包括但不限于水、酒精和氟利昂中的一种；
所述无源层采用透明材料，用于挡住冷却液防止其从后端面流出，使冷却液实现在内冷却通道中的循环。
5.如权利要求1或2所述的内冷却薄片激光器，其特征在于，所述薄片增益介质由含有一种或多种掺杂元素的透明材料构成，所述掺杂元素包括但不限于Yb、Er、Y中的一种或多种，所述透明材料包括但不限于玻璃材料、蓝宝石、晶体中的一种；
所述泵浦光源包括但不限于半导体激光器、汞灯、氙灯、氪灯、闪光灯中的一种，泵浦方式为端面泵浦。
6.如权利要求1或2所述的内冷却薄片激光器，其特征在于，所述高反层对所述内冷却薄片增益介质形成的振荡激光高反，所述高透层对所述内冷却薄片增益介质形成的振荡激光高透；
所述输出镜对所述内冷却薄片增益介质形成的振荡激光半反半透，所述输出镜制备在所述无源层后表面或采用分立光学透镜。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述的内冷却薄片激光器的制备方法，其特征在于，包括：
制备内冷却薄片增益介质：
将飞秒激光光束聚焦到薄片增益介质内部或表面，通过激光直写使周期性微孔、冷却微孔区域发生改性；抛光薄片增益介质上下表面，漏出改性区域；将薄片增益介质置于腐蚀液中，腐蚀液对改性后区域进行选择性腐蚀，得到周期性微孔和冷却微孔；在薄片增益介质表面，利用激光加工得到微通道；
在内冷却薄片增益介质的两面分别镀有高反层和高透层；
将内冷却薄片增益介质的高反层一侧安装在热沉上；
将内冷却薄片增益介质的高透层一侧依次设有无源层和输出镜；
将泵浦光源通过光学耦合系统入射至内冷却薄片增益介质中。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，采用浸没透镜聚焦将飞秒激光的光斑聚焦在薄片增益介质内部或表面，其中聚焦光斑尺寸小于1um，激光功率为1～10mW，偏振为线偏振或圆偏振。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述腐蚀液包括但不限于磷酸、氢氟酸、盐酸中的一种，腐蚀温度包括但不限于室温或加热。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，通过多次写入或增加功率的手段，使所述冷却微孔相对于所述周期性微孔经飞秒激光直写后的改性区域大，所述冷却微孔腐蚀后直径大于周期性微孔的直径。
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