CN117134178B - 一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置，所述装置包括光谱合成元件（1）、光束耦合装置（2）、冷却激光（3）和待合成激光（4），光谱合成元件（1）或光束耦合装置（2）为掺杂稀土元素固体材料作为基底制作的光学元件，元件通过冷却激光（3）照射至各使用可产生反斯托克斯冷却现象的掺稀土元素固体材料作为基底制作的元件上，使其产生激光冷却效果，控制掺稀土元素固体材料作为基底制作的光学元件的温度梯度，以实现良好的光谱合成效果；所述一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置的使用方法包括待合成激光（4）的光谱合成以及冷却激光（3）与掺稀土元素固体材料发生冷却效应。
Description
技术领域
本发明属于光谱合成技术领域，更具体地，涉及一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置。
背景技术
光谱合成技术是一种通过光束合成实现功率缩放领域中的一种技术，目的是将一些高功率的激光光束合成在一起得到一个光束，具有非常高的功率并且尽量保持光束质量，光谱合成技术已广泛应用于国民经济、国防军事、科研探索等领域。
光谱合成技术利用衍射光栅等合成元件，将多路窄线宽激光合成为单束高功率、高亮度激光输出，能够通过合成路数的提升实现功率定标放大，并尽量保持合成激光的光束质量，是一种获得高功率、光束质量激光的有效途径，受到各方面广泛关注，现有技术中光谱合成元件基底材料多为高纯度熔融石英等材料，以保持元件光学性能和减少元件对激光的吸收。
但是以高纯度熔融石英等材料作为光谱合成元件基底材料在高功率激光辐照下不可避免地存在激光吸收，出现热量积累和温度梯度，影响元件效率、面形等关键参数，引起光谱合成效果劣化，难以保持元件在工作时的优良性能。传统散热技术采用水冷、风冷等方式，水冷方式通常散热工质难以直接接触光学元件实现直接冷却，风冷虽可以接触元件表面但引入气流影响激光传输。
中国实用新型CN202321432616.7公开了一种用于激光光谱合成系统的水冷结构，包括光电装配板以及光电装配板上设有的光电组件装配结构单元和水冷单元，通过水冷单元的流道直接接触光电组件装配结构单元的散热区域，以快速带走热量，避免积热问题；但所述结构无法解决水冷方式散热工质难以直接接触光学元件实现直接冷却的问题，且存在较大散热装置体积质量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置，通过冷却激光照射掺稀土元素固体材料作为基底制作的光谱合成元件或者光束耦合装置产生激光冷却实现了大幅提高散热效果，避免了传统散热效果产生的弊端。
为实现上述目的，本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置提供如下技术方案：
一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，包括光谱合成元件、光束耦合装置、冷却激光和待合成激光；其中，
所述冷却激光照射至相应掺杂稀土元素固体材料作为基底制作的光谱合成元件或者光束耦合装置上辐射出光子产生激光制冷效果，带走元件产生的热量、保持元件性能；
所述待合成激光在光束耦合装置作用下，入射至光谱合成元件；实现高效光谱合成；
进一步的，所述光谱合成元件和/或光束耦合装置其中的一个或多个元件光学元件采用可产生反斯托克斯冷却现象的掺杂稀土元素固体材料作为基底制作；
进一步的，所述固体材料包括：ZBLANP、YAG、YLiF4、KPb2Cl5、KpB2Cl2、InP之类的玻璃、晶体或半导体材料；所述掺杂稀土元素包括：Yb、Er或Tm；
进一步的，所述光谱合成元件实现待合成激光的光谱合成，包括但不限于：衍射光栅或双色镜；
进一步的，所述光束耦合装置完成各激光光束指向控制，包括反射镜、光栅或透镜之类的元件及其组合；
进一步的，所述冷却激光根据合成元件基底材料选择，可使该材料产生激光制冷效果；
进一步的，所述冷却激光可以是待合成激光中的一束或多束，也可以是在待合成激光之外单独提供的一束或多束激光；
进一步的，所述待合成激光包括但不限于：高斯光、类高斯光或平顶光；
一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法，应用所述的利用激光冷却的高稳定光谱合成装置实现；其中，
当冷却激光为待合成光束时，包括以下步骤：
S1、待合成激光的光谱合成
打开待合成激光的激光器，所述激光发射器发射的待合成激光通过光束耦合装置后入射至光谱合成元件上同一位置，在光谱合成元件的衍射作用下合成为1束高功率的激光输出；
S2、冷却激光与掺稀土元素固体材料发生冷却效应
同时待合成激光内包括的冷却激光与光谱合成元件基底材料发生反斯托克斯冷却现象，产生激光制冷效果。
进一步的，所述的利用激光冷却的高稳定光谱合成方法，其特征在于，
当冷却激光为待合成光束外光束时，包括以下步骤：
S3、待合成激光的光谱合成
打开待合成激光的激光发射器，通过所述激光发射器发射的待合成激光通过光束耦合装置后入射至光谱合成元件上同一位置，在光谱合成元件的衍射作用下合成为1束高功率的激光输出；
S4、冷却激光与掺稀土元素固体材料发生冷却效应
打开冷却激光的激光发射器，从所述激光发射器方向照射至光谱合成元件上，根据待合成激光经光束耦合装置照射在光谱合成元件上的位置而调整照射位置，引起光谱合成元件基底材料发生反斯托克斯冷却现象，产生激光制冷效果。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置通过冷却激光照射至相应掺稀土元素固体材料作为基底制作的光谱合成元件或者光束耦合装置上时，所述光谱合成元件或者光束耦合装置辐射出产生激光制冷效果的能量高于较低能量hv入射光子的辐射光子，实现了降低掺稀土元素固体材料作为基底制作的元件温度。
2.本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置的采用激光冷却方式直接在元件产热区域产生制冷效果，并可通过激光光斑控制调整制冷量分布和强度、实现与产热区域和热流密度的良好匹配，较传统散热方式，大幅提升了元件散热效果，可大幅提升合成元件或光学元件在激光负载条件下的面形控制能力，改善光谱合成的效果，提升高功率光谱合成装置的稳定性。
3.本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置通过冷却激光照射至相应掺稀土元素固体材料作为基底制作的光谱合成元件或者光束耦合装置上辐射出光子产生激光制冷效果，较现有技术采用水冷、风冷等散热方式避免了引入其他流体介质后带来的不利影响，例如液体循环制冷引起的振动，风冷式循环散热对传输光路的局部扰动等，并可以大幅减小散热装置体积重量。
附图说明
图1为本发明实施例一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置原理示意图；
图3为本发明实施例一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置当冷却激光为待合成光束时实行图；
图4为本发明实施例一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置当冷却激光为待合成光束外光束时实行图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-光谱合成元件、2-光束耦合装置、3-冷却激光、4-待合成激光、5-基质、51-基态原子、52-激发态原子、6-低能量光子、7-高能量光子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见如图1，本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置包括光谱合成元件1、光束耦合装置2、冷却激光3和待合成激光4。其中，光束耦合装置2安装位置为激光发射器发射激光通路垂直方向，光谱合成元件1安装于激光通过光束耦合装置2后入射位置。通过冷却激光照射至相应掺稀土元素固体材料作为基底制作的光谱合成元件或者光束耦合装置上时，所述光谱合成元件或者光束耦合装置辐射出产生激光制冷效果的能量高于较低能量hv入射光子的辐射光子，实现了降低掺稀土元素固体材料作为基底制作的元件温度。
其中光谱合成元件1用于实现不同波长的待合成激光4的光谱合成，当不同波长的待合成激光4以与其波长匹配的特定角度入射至光谱合成元件1上的相应位置时，在光谱合成元件1作用下可合成为一束高功率的激光输出，所述的光谱合成元件1可以是但不限于：衍射光栅、双色镜等。光束耦合装置2用于控制各待合成激光4光束指向与位置，使不同波长的待合成激光4以其与波长匹配的角度入射至合成元件上与该波长相应的位置，所述的光束耦合装置2可以是但不限于是：反射镜、光栅、透镜等光学元件或组合。
由于掺稀土元素固体材料可以出现“反斯托克斯冷却”的现象，该现象基本原理是掺稀土元素固体材料中的原子吸收一个较低能量hv的光子由基态跃迁至激发态，激发态原子最终与晶格达成准平衡状态、并自发辐射出平均能量hvf的辐射光子，所述辐射光子能量高于较低能量hv的入射光子，材料中的热量就被不断带走、产生制冷效果；为解决现有技术中以高纯度熔融石英等材料作为光谱合成元件基底材料的情况下，光谱的合成元件会在高功率激光辐照下不可避免地存在激光吸收，出现光谱的合成元件热量积累和温度梯度，影响光谱的合成元件效率、面形等关键参数，引起光谱合成效果劣化，难以保持元件在低功率工作时的优良性能的问题，上述光谱合成元件1和光束耦合装置2的光学元件中的一个或多个元件，采用可产生反斯托克斯冷却现象的掺稀土元素固体材料作为基底制作，故而可在激光辐照下辐射出高于较低能量hv入射光子的平均能量hvf的辐射光子，通过所述辐射光子将光谱合成元件1中的原有能量带出光谱合成元件1而产生激光制冷效应，其中所述掺稀土元素固体材料的基底中固体材料可以是但不限于：ZBLANP、YAG、YLiF4、KPb2Cl5、KpB2Cl2、InP等玻璃、晶体或半导体材料；掺杂的稀土元素可以是但不限于：Yb、Er、Tm等。
且冷却激光3为可以入射至掺稀土元素固体材料作为基底制作的光学元件上使其辐射出能量高于较低能量hv入射光子的辐射光子，冷却激光根据被冷却激光3入射的光学元件基底材料选择，可以是待合成激光3的各束激光中的一束或多束，也可以是在此之外、单独提供的一束或多束激光作为冷却激光3使用。当冷却激光3照射至相应掺稀土元素固体材料作为基底制作的光学元件上时，掺稀土元素固体材料作为基底制作的光学元件发生“反斯托克斯冷却”现象，辐射能量高于较低能量hv入射光子的辐射光子产生激光制冷效果，从而将元件吸收入射激光产生的热量不断带走，降低了掺稀土元素固体材料作为基底制作的元件温度，保持了掺稀土元素固体材料作为基底制作的光学元件性能，改善高功率光谱合成效果。
待合成激光4为需要进行光谱合成的多束激光，本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置，通过上述掺稀土元素固体材料作为基底制作的一个或多个光学元件作为光束耦合装置2或者光谱合成元件1和冷却激光3入射至相应掺稀土元素固体材料作为基底制作的光束耦合装置2或者光谱合成元件1出现“反斯托克斯冷却”的现象，所述的掺稀土元素固体材料作为基底制作的光束耦合装置2或者光谱合成元件1辐射出能量高于较低能量hv入射光子的辐射光子，待合成激光4被上述过程中产生的能量高于较低能量hv入射光子的辐射光子带走了热量，且被光束耦合装置2控制光束指向与位置，被光谱合成元件1合成至一束高功率的激光输出；待合成激光4可以是高斯光、类高斯光、平顶光等类型激光，所述类型待合成激光4均可以被冷却激光3照射至相应掺稀土元素固体材料作为基底制作的光束耦合装置2或者光谱合成元件1上辐射出的能量高于较低能量hv入射光子的辐射光子带走热量。
本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置的降温原理如图2所示，其中，基质5为掺稀土元素固体材料作为基底制作而成，本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置中可以为掺稀土元素固体材料作为基底制作的光束耦合装置2或者光谱合成元件1；低能量光子6为能量为hv的低能量光子，通过冷却激光3发出；基态原子51为基质5内部的原子，激发态原子52为基质5内部基态原子51变化得到，高能量光子7为激发态原子52辐射得到，其为平均能量hvf的光子。当冷却激光3照射至掺稀土元素固体材料作为基底制作的光束耦合装置2或者光谱合成元件1上时，同时低能量光子6被转移至基质5上，基质5内部基态原子51吸收低能量光子6由基态跃迁至激发态，激发态原子52最终与晶格达成准平衡状态、并自发辐射出平均能量hvf的高能量光子7，所述高能量光子7能量高于较低能量hv的低能量光子6，且吸收热能将材料中的热量不断带走，从而产生了制冷效果，降低了掺稀土元素固体材料作为基底制作的光束耦合装置2或者光谱合成元件1的温度，保持了其性能，达成改善高功率光谱合成效果。
在本发明一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法和装置的实施例中，通过使用具有可产生反斯托克斯冷却现象的掺稀土元素固体材料作为基底制作的光谱合成元件1或光束耦合装置2中的一个或多个元件，如掺Yb、Er或Tm的ZBLANP、YAG、YLiF4、KPb2Cl5、KpB2Cl2、或InP等玻璃、晶体或半导体，使所述元件在适宜的激光辐照下可以产生激光制冷效果，实现元件的冷却，保证元件性能与光谱合成效果。光谱合成元件1可以是但不限于衍射光栅、双色镜，光束耦合装置2可以是但不限于是反射镜、光栅、透镜等元件或组合。
使用时，使用光束耦合装置2控制各束待合成激光4的指向和位置与其波长相匹配地照射至光谱合成元件1上，合成为一束高功率的激光输出实现光谱合成。冷却激光3照射至各使用可产生反斯托克斯冷却现象的掺稀土元素固体材料作为基底制作的元件上，使其产生激光冷却效果，控制掺稀土元素固体材料作为基底制作的光谱合成元件1或光束耦合装置2中的一个或多个元件温度水平与温度梯度，以实现良好的光谱合成效果。
实施例1
本发明提供一种实施例用于当冷却激光3为待合成激光4时所述一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置的使用方法，
参考图3，光谱合成元件1是采用Yb:YLF晶体作为基底材料制作的反射型衍射光栅；待合成激光4是波长分别为1020nm、1030nm、1040nm的3束千瓦级窄线宽激光，同时1020nm波长激光也作为冷却激光3使用；光束耦合装置2为透镜和发射镜的组合；
当冷却激光为待合成光束时，包括以下步骤：
S1、待合成激光4的光谱合成
打开待合成激光4的激光器，所述激光器发射的3束待合成激光通过光束耦合装置2后以对应于各自波长的Littrow角入射至合成元件1上同一位置，在合成元件1的衍射作用下合成为1束高功率的激光输出；
S2、冷却激光与掺稀土元素固体材料发生冷却效应
同时待合成激光4包括的1020nm激光大部分被光谱合成元件1反射、参加合成，少部分透射至光谱合成元件1基底材料内，引起元件基底材料Yb:YLF晶体发生“反斯托克斯冷却”现象，产生激光制冷效果，将采用Yb:YLF晶体作为基底材料制作的光谱合成元件1吸收待合成激光而产生的热量带走，降低光谱合成元件1的温度，减小光谱合成元件1由于热梯度出现的面形劣化，保持其工作性能，实现3束激光的高效高光束质量合成。
实施例2
本发明提供一中实施例用于当冷却激光3为待合成光束4外光束时所述一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置的使用方法
参考图4，光谱合成元件1为采用Er:CNBZn玻璃作为基底材料制作的透射型衍射光栅；待合成激光4共5束，波长分别为1035nm、1040nm、1045nm、1050nm、1055nm；冷却激光3为870nm波长激光，由一台钛宝石激光器提供；
具体步骤如下：
S3、待合成激光4的光谱合成
打开待合成激光4的激光器，通过激光器发射5束待合成激光4通过光束耦合装置2后以对应于各自波长的Littrow角入射至光谱合成元件1上同一位置，在光谱合成元件1的衍射作用下合成为1束高功率的激光输出；在该过程中，光谱合成元件不断吸收激光，出现热量积累和温度梯度。
S4、冷却激光与掺稀土元素固体材料发生冷却效应
打开所述钛宝石激光器，870nm的冷却激光3从钛宝石激光器方向照射至光谱合成元件1上，根据待合成激光4经光束耦合装置2照射在光谱合成元件1上的位置而调整照射位置，引起光谱合成元件1基底材料Er:CNBZn玻璃发出反斯托克斯荧光，不断带走光谱合成元件1由于微量吸收激光而产生的热量，减少光谱合成元件1热效应，从而保持光谱合成元件1光学性能，改善最终的高功率激光合成效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，包括光谱合成元件(1)、光束耦合装置(2)、冷却激光(3)和待合成激光(4)；其中，
所述冷却激光(3)照射至相应掺杂稀土元素固体材料作为基底制作的光谱合成元件(1)或者光束耦合装置(2)上辐射出光子产生激光制冷效果，带走元件产生的热量、保持元件性能；
所述待合成激光(4)在光束耦合装置(2)作用下，入射至光谱合成元件(1)；实现高效光谱合成。
2.根据权利要求1中所述的一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，其特征在于，所述光谱合成元件(1)和/或光束耦合装置(2)其中的一个或多个元件光学元件采用可产生反斯托克斯冷却现象的掺杂稀土元素固体材料作为基底制作。
3.根据权利要求2中所述的一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，其特征在于，所述固体材料包括：ZBLANP、YAG、YLiF4、KPb2Cl5、KpB2Cl2或InP；
所述掺杂稀土元素包括：Yb、Er或Tm。
4.根据权利要求3中所述的一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，其特征在于，所述的光谱合成元件(1)实现待合成激光(4)的光谱合成，包括但不限于：衍射光栅或双色镜。
5.根据权利要求1-4中任一项中所述的一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，其特征在于，所述光束耦合装置(2)完成各激光光束指向控制，包括反射镜、光栅或透镜光学元件及其组合。
6.根据权利要求1-4中任一项中所述的一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，其特征在于，所述冷却激光(3)根据合成元件的基底材料选择，使该基底材料产生激光制冷效果。
7.根据权利要求6中所述的一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，其特征在于，所述的冷却激光(3)为待合成激光(4)中的一束或多束，或者在待合成激光(4)之外单独提供的一束或多束激光。
8.根据权利要求1中所述的一种利用激光冷却的高稳定光谱合成装置，其特征在于，所述待合成激光(4)包括但不限于：高斯光、类高斯光或平顶光。
9.一种利用激光冷却的高稳定光谱合成方法，其特征在于，应用如权利要求1-8中任一项所述的利用激光冷却的高稳定光谱合成装置实现；其中，
当冷却激光为待合成光束时，包括以下步骤：
S1、待合成激光(4)的光谱合成
打开待合成激光(4)的激光器，所述激光器发射的待合成激光(4)通过光束耦合装置(2)后入射至光谱合成元件(1)上同一位置，在光谱合成元件(1)的衍射作用下合成为1束高功率的激光输出；
S2、冷却激光与掺稀土元素固体材料发生冷却效应
同时待合成激光(4)内包括的冷却激光(3)与光谱合成元件(1)基底材料发生反斯托克斯冷却现象，产生激光制冷效果。
10.根据权利要求9所述的利用激光冷却的高稳定光谱合成方法，其特征在于，
当冷却激光为待合成光束外光束时，包括以下步骤：
S3、待合成激光(4)的光谱合成
打开待合成激光(4)的激光发射器，通过所述激光发射器发射的待合成激光(4)通过光束耦合装置(2)后入射至光谱合成元件(1)上同一位置，在光谱合成元件(1)的衍射作用下合成为1束高功率的激光输出；
S4、冷却激光与掺稀土元素固体材料发生冷却效应
打开冷却激光(3)的激光发射器，从所述激光发射器方向照射至光谱合成元件(1)上，根据待合成激光(4)经光束耦合装置(2)照射在光谱合成元件(1)上的位置而调整照射位置，引起光谱合成元件(1)基底材料发生反斯托克斯冷却现象，产生激光制冷效果。
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