CN117996554A - 一种泵浦激光器 - Google Patents

Abstract

本申请属于激光器领域，尤其涉及一种泵浦激光器，其包括谐振器，谐振器包括谐振腔和设置于谐振腔内的激光介质；泵浦源，泵浦源包括燃烧室和主燃料腔、副燃料腔，副燃料腔与主燃料腔内均装填有固体燃料，副燃料腔和燃烧室内设有引燃丝；副燃料腔与主燃料腔之间设有导气通道，主燃料腔与燃烧室导通；燃烧室远离主燃料腔的一侧或者主燃料腔设有与外界导通的泄气通道；泵浦源内固体燃料燃烧所产生的亮光用于激发谐振器的激光介质。本申请具有提升烟火泵浦源泵浦强度的效果。

Description

一种泵浦激光器

技术领域

本申请涉及激光器领域，尤其是涉及一种泵浦激光器。

背景技术

固体激光器是目前技术较为成熟且应用较为广泛的激光源，其主要包括泵浦源、谐振腔和激光介质三部分，其原理为：泵浦源发出强烈的光线照射激光介质，激光介质中的粒子受激跃迁，宏观上表现为粒子数反转，并在后续的照射中跃迁回下能级，同时辐射出波长确定的激光，激光在谐振腔内来回振荡汇集，最终定向出射。

主流固体激光器的泵浦源包括了LD芯片、Xe灯、LED芯片等，通过电能转化为光能实现激光的激发，为了供给足够激光介质发生粒子数反转的巨大能量，这类泵浦源的外接能源结构复杂、体积重量大，便携性较差。

烟火泵浦激光器是近年出现的一种以燃烧的烟火作为泵浦源的激光器，相对于上述的各种泵浦源，其具有能量密度高、环境依赖性较小、重量轻、携带方便的优点。

但是，为了结构轻量化，烟火泵浦源的激发主要依靠电热丝的点燃，先燃的燃料释放高热点燃剩余燃料，这个过程会持续一定的时间，使得燃料所释放的光强无法达到理论的最大值。此外，燃料燃烧会形成固态的燃烧残骸，这部分残骸在剩余燃料燃烧的过程中会阻碍光线的传播，进一步降低烟火泵浦源在激光介质上的照度。因此，亟需一种能提升烟火泵浦源泵浦强度的泵浦激光器。

发明内容

为了解决上述问题，优化烟火泵浦源的泵浦效果，本申请提供一种泵浦激光器。

本申请提供的一种泵浦激光器采用如下的技术方案：

一种泵浦激光器，包括：

谐振器，所述谐振器包括谐振腔和设置于所述谐振腔内的激光介质；

泵浦源，所述泵浦源包括燃烧室和主燃料腔、副燃料腔，所述副燃料腔与主燃料腔内均装填有固体燃料，所述副燃料腔和所述燃烧室内设有引燃丝；所述副燃料腔与所述主燃料腔之间设有导气通道，所述主燃料腔与所述燃烧室导通；所述燃烧室远离所述主燃料腔的一侧或者所述主燃料腔设有与外界导通的泄气通道；

所述泵浦源内所述固体燃料燃烧所产生的亮光用于激发所述谐振器的所述激光介质。

通过采用上述技术方案，副燃料腔内的固体燃料燃烧产生的气体经由导气通道涌入主燃料腔内，将主燃料腔内的固体燃料吹散并进入燃烧室内，被吹飞的固体燃料与燃烧室内的引燃丝接触而被点燃，因为燃烧室内的固体燃料在引燃的过程中与空气混合均匀，因此，燃烧率和引燃速度都较高，能实现更大的总光线强度和更强的瞬时泵浦功率。

可选的，所述主燃料腔包括第一燃料腔和第二燃料腔，所述第一燃料腔与所述第二燃料腔通过第一单向结构导通，所述第一单向结构仅允许气流从所述第一燃料腔向所述第二燃料腔运动，所述燃烧室与所述第二燃料腔通过第二单向结构导通，所述第二单向结构仅允许气流从所述第二燃料腔向所述燃烧室移动。

通过采用上述技术方案，第一燃料腔与第二燃料腔串联，第一燃料腔内的固体燃料在燃烧室内点燃的过程为第二燃料腔内的固体燃料进入燃烧室提供了动力，解决了传统烟火泵浦源仅能发出单词瞬时激光的缺陷。

可选的，所述第一单向结构包括第一孔和第一盖板，所述第一孔贯穿所述第一燃料腔与所述第二燃料腔之间的腔壁，所述第一盖板盖设于所述第一孔靠近所述第二燃料腔的一侧且与所述第一孔的边缘固定连接；

所述第二单向结构包括第二孔和第二盖板，所述第二孔贯穿所述第二燃料腔与所述燃烧室之间的腔壁，所述第二盖板盖置于所述第二孔靠近所述燃烧室的一侧且与所述第二孔的边缘固定连接。

通过采用上述技术方案，当气体从第一盖板背离第一孔的一侧吹来，第一盖板与腔壁抵顶，第一孔被封堵，当气体从第一孔中吹向第一盖板，第一盖板被掀起，第一单向结构导通；第二单向结构同理。

可选的，所述第一盖板与所述第一燃料腔和所述第二燃料腔之间的腔壁存在间隙，所述第二盖板与所述第二燃料腔和所述燃烧室之间的腔壁存在间隙。

通过采用上述技术方案，第一单向结构的导通过程不再仅仅是第一盖板两侧压差的正面抗衡，气流冲入第一盖板与腔壁之间的缝隙，使缝隙前沿扩展延伸，第一盖板与腔壁分离，也可以实现第一单向结构导通的效果，降低了导通的阻力；第二单向结构同理。

可选的，所述主燃料腔还包括第三燃料腔，所述第三燃料腔与所述第二燃料腔通过第三单向结构导通，所述第三单向结构仅允许气流从所述第二燃料腔向所述第三燃料腔运动，所述燃烧室与所述第三燃料腔通过第四单向结构导通，所述第四单向结构仅允许气流从所述第三燃料腔向所述燃烧室移动；

所述第二单向结构的导通阻力小于所述第三单向结构的导通阻力。

通过采用上述技术方案，更多的主燃料腔提供了更长的泵浦持续时间，或者更多的泵浦次数。

可选的，所述主燃料腔包括第一燃料腔和第二燃料腔，所述燃烧室包括第一燃烧室和第二燃烧室，所述第一燃料腔、所述第一燃烧室、所述第二燃料腔、所述第二燃烧室顺次导通，所述泄气通道设置于所述第二燃烧室的侧壁。

通过采用上述技术方案，顺次导通第一燃料腔、第一燃烧室、第二燃料腔、第二燃烧室能顺气流流向实现供料、燃烧、供料、燃烧的效果，不需要额外的单向结构。

可选的，所述燃烧室靠近所述谐振器的一侧设有导光板，所述导光板覆盖所述第一燃烧室和所述第二燃烧室。

通过采用上述技术方案，第一燃烧室和第二燃烧室内燃烧所产生的光线可以更加均匀地照射至激光介质，避免局部激光介质富集过多光线

可选的，所述固体燃料为火药粉。

通过采用上述技术方案，火药粉的比表面积更大，燃烧更加充分，泵浦强度更大。

可选的，所述主燃料腔和副燃料腔内还填充有助燃剂，所述助燃剂与所述固体燃料均匀混合。

通过采用上述技术方案，助燃剂相对空气具有更高的助燃效率，使用助燃剂替代空气发挥氧化作用，在相同的空间内可以填充更多的固体燃料，实现更高的泵浦强度。

可选的，所述主燃料腔的内壁还设有导流槽，所述导流槽与指向所述燃烧室的直线成3°-10°的夹角。

通过采用上述技术方案，导流槽可以在一定程度上引导冲入主燃料腔内的气流，使之具有形成气旋的趋势，冲击力更强，可以使固体燃料在燃烧室内分布更加均匀。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.副燃料腔内的预燃烧产生膨胀的空气，气流将主燃料腔内的固体燃料吹飞，一方面，散开的固体燃料与空气具有更大的接触面，能燃烧得更加充分，另一方面，固体燃料分散于整个燃烧室内，燃烧的传递更加迅速，缩短引燃时间，以上两方面均可以提高泵浦源的最大光线强度；

2.固体燃料为粉剂，燃烧更迅速、更充分，进一步提高烟火泵浦源的总光线强度和瞬间极限光线强度；

3.多级串联的主燃料腔，可以分多次将固体燃料吹入燃烧室内，每一次燃烧都由上一次燃烧的气流所引发，如果相邻两次燃烧之间时间较短，则可以实现传统烟火泵浦源所无法实现的长时间泵浦，如果相邻两次燃烧之间的时间间隔较长，则可以实现周期性的多次泵浦，使激光器发射多段激光。

附图说明

图1是本申请实施例1一种泵浦激光器的结构示意图；

图2是本申请实施例2一种泵浦激光器的结构示意图；

图3是本申请实施例3一种泵浦激光器的结构示意图；

图4是图3中A区域的局部放大图。

附图标记说明：

11、激光介质；12、谐振腔；121、全反镜；122、放射孔；123、透明窗口；20、固体燃料；21、燃烧室；211、第一燃烧室；212、第二燃烧室；22、主燃料腔；221、第一燃料腔；222、第二燃料腔；223、第三燃料腔；23、副燃料腔；24、第一单向结构；241、第一孔；242、第一盖板；25、第二单向结构；26、第三单向结构；27、第四单向结构；281、泄气通道；282、导气通道；29、引燃丝；3、导光板。

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。

烟火泵浦激光器是利用燃料燃烧时释放的强烈光线作为泵浦源的激光器，目前一种常见的烟火泵浦源的结构是在固体燃料内埋入一个多个电火花引火器，或者将固体燃料包裹在电阻丝的表面，通电后，部分固体燃料被引燃，并逐渐蔓延至全部的固体燃料。这种结构的烟火泵浦源具有以下的缺陷，一方面，为了确保固体燃料与引火结构的紧密接触，固体燃料通常为固定设置的块状固体，其燃烧有先后之分，难以在一瞬间燃烧以达到理论泵浦强度，另一方面，固体燃料后会产生残骸，残骸会阻挡后续燃烧产生的光线的传播，降低泵浦源的光线强度。

本申请实施例公开一种泵浦激光器。

实施例1

参照图1，泵浦激光器包括谐振器和泵浦源。

谐振器包括谐振腔12和设置于谐振腔12内的激光介质11。本实施例中的谐振腔12为圆柱形或椭圆柱形壳体，材质优选为聚四氟乙烯，谐振腔12靠近泵浦源的一侧设有透明窗口123。激光介质11为沿谐振腔12的轴线布置的棒体，材质可选的为红宝石、二氧化碳等能够实现粒子数反转、放大光并决定输出激光波长的材质。激光介质11轴线的延长线与谐振腔12相较于谐振腔12的两端，在其中一个交点设有放射孔122，在另一个交点设有全反镜121。

泵浦源包括燃烧室21和主燃料腔22、副燃料腔23，副燃料腔23与主燃料腔22之间设有导气通道282，主燃料腔22与燃烧室21之间导通。副燃料腔23和燃烧室21内均设有引燃丝29，具体的，引燃丝29为两端施加电压且贯穿燃烧室21和副燃料腔23的电阻丝；在主燃料腔22和副燃料腔23内均填充有固体燃料20，具体的，主燃料腔22内的固体燃料20为火药粉，副燃料腔23内的固体燃料20包覆于引燃丝29的表面；燃烧室21远离主燃烧室21的一侧设有与外界导通的泄气通道281。

燃烧室21设置于泵浦源靠近谐振器的一侧且与谐振器的透明窗口123贴合，燃烧室21与谐振器贴合的部分透明。

优选的，主燃料腔22和副燃料腔23内还填充有助燃剂，助燃剂与固体燃料20均匀混合；在主燃料腔22的内壁还设有导流槽，导流槽与指向燃烧室21的直线成3°-10°的夹角，以引导气流形成气旋，将主燃料腔22内的固体燃料20吹出。

需要注意的是，为避免固体燃料20的泄露，可以对固体燃料20进行适当的固定。可选的，燃烧室21和主燃料腔22之间、主燃料腔22和副燃料腔23之间均被薄膜阻隔；或者，在主燃料腔22内的固体燃料20的表面喷涂有胶膜，以上两种膜的厚度以副燃料腔23内发生燃烧所制造的气流能将其冲破为准。

实施例1的实施原理为：

对引燃丝29通电，引燃丝29升温直至其超过固体燃料20的燃点，副燃料腔23内的固体燃料20被点燃，产生大量气体。气体迅速经由导气通道282冲入主燃料腔22内，而后裹挟着主燃料腔22内的固体燃料20粉末进入燃烧室21，固体燃料20粉末与燃烧室21内的引燃丝29接触并被点燃，而后火势迅速蔓延至整个燃烧室21内将所有的固体燃料20粉末点燃，在短时间内释放出大量的光线，燃烧所产生的气体则经由泄气通道281排出。

光线照射至谐振腔12内，激光介质11吸收光线后发生跃迁，导致粒子数反转，在后续的光线照射下回落至较低能级并辐射出光子，光子在谐振腔12内多次振荡汇集，最终经由放射孔122出射，形成高能量密度、波长恒定的激光光束。

因为燃烧室21内被引燃的固体燃料20为被气流吹动而弥散于整个燃烧室21内的粉剂，所以，相对于固定设置的固体燃料20块，本实施例中的固体燃料20与空气具有更大的接触面积，在局部的固体燃料20被引燃后，能迅速传导火势使整个燃烧室21被烟火充斥，所有固体燃料20在短时间内燃尽，制造出更高的瞬时亮度，从燃烧开始到泵浦强度抵达峰值的启动时间也较短。

此外，由于固体燃料20为粉剂，且燃烧室21内风速较大，因此，燃烧后形成的残骸或者余烬也是粉末状，不会对未燃烧或正在燃烧部分形成包裹，因此降低了对光线传播的阻碍，进一步增加了泵浦源的出光强度。

实施例2

参照图2，本实施例与实施例1的不同之处在于：

主燃料腔22包括第一燃料腔221和第二燃料腔222，燃烧室21包括第一燃烧室211和第二燃烧室212，第一燃料腔221、第一燃烧室211、第二燃料腔222、第二燃烧室212顺次导通，泄气通道281设置于第二燃烧室212的侧壁。

在燃烧室21靠近谐振器的一侧设有导光板3，导光板3将第一燃烧室211和第二燃烧室212覆盖。

需要注意的是，这里仅描述两个燃烧室21的情况，实际上燃烧室21和主燃料腔22的数量可以按需叠加，实现更长时间的持续泵浦，或者是更多次数的间歇泵浦。

实施例2的实施原理为：

在实施例1的基础上，本实施例增加了燃烧室21和主燃料腔22的数量，副燃料腔23内的固体燃料20被引燃后，气流冲入第一燃料腔221，裹挟固体燃料20进入第一燃烧室211，固体燃料20被点燃，泵浦源发生一次泵浦。

一次泵浦中产生的气流冲入第二燃料腔222，裹挟第二燃料腔222中的固体燃料20充斥于第二燃烧室212内，固体燃料20在第二燃烧室212内燃烧，泵浦源发生二次泵浦，燃烧产生的高压气体从泄气通道281排出。

多个主燃料腔22和燃烧室21，多次泵浦的设计使得本实施例的泵浦源摆脱了传统烟火泵浦源仅能提供一次性瞬时泵浦的限制，将各次泵浦之间的时间间隔设置为小于或等于单次泵浦的持续时间，则可以实现持续的泵浦输出，将各次泵浦之间的时间间隔设置为大于单次泵浦的持续时间，则可以实现间歇式的多次泵浦。

导光板3的设置则使第一燃烧室211和第二燃烧室212中发出的光线尽可能均匀的照射至激光介质11上，避免局部激光介质11上集中过多的光线，超出其吸收极限，导致能量浪费。

实施例3

参照图3和图4，本实施例与实施例1的不同之处在于：

主燃料腔22包括第一燃料腔221、第二燃料腔222和第三燃料腔223。

第一燃料腔221与第二燃料腔222通过第一单向结构24导通，第一单向结构24包括第一孔241和第一盖板242，第一孔241贯穿第一燃料腔221和第二燃料腔222之间的腔壁，第一盖板242覆盖于第一孔241靠近第二燃料腔222的一侧且与第一孔241的边缘固定连接，优选的，第一孔241边缘的腔壁倒平角，使得第一盖板242与腔壁之间存在间隙。

第二燃料腔222与燃烧室21通过第二单向结构25导通，第二单向结构25包括第二孔和第二盖板，第二孔贯穿第二燃料腔222和燃烧室21之间的腔壁，第二盖板覆盖于第二孔靠近燃烧室21的一侧且与第二孔的边缘固定连接，优选的，第二孔边缘的腔壁倒平角，使得第二盖板与腔壁之间存在间隙。

第二燃料腔222与第三燃料腔223通过第三单向结构26导通，第三单向结构26包括第三孔和第三盖板，第三孔贯穿第二燃料腔222和第三燃料腔223之间的腔壁，第三盖板覆盖于第三孔靠近第三燃料腔223的一侧且与第三孔的边缘固定连接，优选的，第三孔边缘的腔壁倒平角，使得第三盖板与腔壁之间存在间隙。

第三燃料腔223与燃烧室21通过第四单向结构27导通，第四单向结构27包括第四孔和第四盖板，第四孔贯穿第三燃料腔223和燃烧室21之间的腔壁，第四盖板覆盖于第四孔靠近燃烧室21的一侧且与第四孔的边缘固定连接，优选的，第四孔边缘的腔壁倒平角，使得第四盖板与腔壁之间存在间隙。

为确保气流进入第二燃料腔222后携带固体燃料20冲入燃烧室21内而不是进入第三燃料腔223，因此，第二单向结构25的导通阻力小于第三单向结构26的导通阻力。此外，因为来自燃烧室21一侧的气流会将第二盖板和第四盖板朝远离燃烧室21的方向推动，因此，第二盖板和第四盖板与腔壁之间的结合强度仅需保证第二盖板和第四盖板不会因为振动或重力掉落即可。

实施例3的实施原理为：

第一燃料腔221的固体燃料20在燃烧室21中被点燃实现一次泵浦，燃烧室21内产生大量的气体，一部分经由泄气通道281排出，另一部分作用于第一盖板242、第二盖板和第四盖板，由于第二盖板和第四盖板均设置于腔壁靠近燃烧室21一侧，因而无法被来自燃烧室21一侧的气流推动，气体冲开第一盖板242，通过第一孔241涌入第二燃料腔222。

在第二燃料腔222内，气体存在第二单向结构25和第三单向结构26两个去向，需要注意的是，虽然在稳定状态下的第二盖板两侧存在静压平衡，但是考虑第二单向结构25被导通的过程是个瞬时状态。此时，气流裹挟的固体燃料20具备一定的动能，直接冲击第二盖板靠近第二燃料腔222的一侧；燃烧室21内的气体部分通过泄气通道281排出，第二盖板靠近燃烧室21的一侧气压下降，形成压差；此外，第二单向结构25的导通过程也不全是第二盖板两侧压力的对抗，只需要气流顺着第二盖板与腔壁之间的缝隙冲入，使缝隙的前沿延伸，第二盖板与腔壁分离就可实现导通。综合上述三种因素，在第三单向结构26的导通阻力足够大的情况下，气流会裹挟着第二燃料腔222内的固体燃料20，冲开第二盖板，进入燃烧室21，实现二次泵浦。

二次泵浦产生的气体冲开第三单向结构26，进入第三燃料腔223并裹挟固体燃料20经由第四单向结构27回到燃烧室21，实现三次泵浦。

本实施例中的所有泵浦过程共用一个燃烧室21，使得每次燃烧产生的光线都可以正对整根激光介质11，实现更均匀的激发，提高激光亮度。

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)

1.一种泵浦激光器，其特征在于，包括：

谐振器，所述谐振器包括谐振腔（12）和设置于所述谐振腔（12）内的激光介质（11）；

泵浦源，所述泵浦源包括燃烧室（21）和主燃料腔（22）、副燃料腔（23），所述副燃料腔（23）与主燃料腔（22）内均装填有固体燃料（20），所述副燃料腔（23）和所述燃烧室（21）内设有引燃丝（29）；所述副燃料腔（23）与所述主燃料腔（22）之间设有导气通道（282），所述主燃料腔（22）与所述燃烧室（21）导通；所述燃烧室（21）远离所述主燃料腔（22）的一侧或者所述主燃料腔（22）设有与外界导通的泄气通道（281）；

所述泵浦源内所述固体燃料（20）燃烧所产生的亮光用于激发所述谐振器的所述激光介质（11）。

2.根据权利要求1所述的泵浦激光器，其特征在于，所述主燃料腔（22）包括第一燃料腔（221）和第二燃料腔（222），所述第一燃料腔（221）与所述第二燃料腔（222）通过第一单向结构（24）导通，所述第一单向结构（24）仅允许气流从所述第一燃料腔（221）向所述第二燃料腔（222）运动，所述燃烧室（21）与所述第二燃料腔（222）通过第二单向结构（25）导通，所述第二单向结构（25）仅允许气流从所述第二燃料腔（222）向所述燃烧室（21）移动。

3.根据权利要求2所述的泵浦激光器，其特征在于，所述第一单向结构（24）包括第一孔（241）和第一盖板（242），所述第一孔（241）贯穿所述第一燃料腔（221）与所述第二燃料腔（222）之间的腔壁，所述第一盖板（242）盖设于所述第一孔（241）靠近所述第二燃料腔（222）的一侧且与所述第一孔（241）的边缘固定连接；

所述第二单向结构（25）包括第二孔和第二盖板，所述第二孔贯穿所述第二燃料腔（222）与所述燃烧室（21）之间的腔壁，所述第二盖板盖置于所述第二孔靠近所述燃烧室（21）的一侧且与所述第二孔的边缘固定连接。

4.根据权利要求3所述的泵浦激光器，其特征在于，所述第一盖板（242）与所述第一燃料腔（221）和所述第二燃料腔（222）之间的腔壁存在间隙，所述第二盖板与所述第二燃料腔（222）和所述燃烧室（21）之间的腔壁存在间隙。

5.根据权利要求2所述的泵浦激光器，其特征在于，所述主燃料腔（22）还包括第三燃料腔（223），所述第三燃料腔（223）与所述第二燃料腔（222）通过第三单向结构（26）导通，所述第三单向结构（26）仅允许气流从所述第二燃料腔（222）向所述第三燃料腔（223）运动，所述燃烧室（21）与所述第三燃料腔（223）通过第四单向结构（27）导通，所述第四单向结构（27）仅允许气流从所述第三燃料腔向所述燃烧室（21）移动；

所述第二单向结构（25）的导通阻力小于所述第三单向结构（26）的导通阻力。

6.根据权利要求1所述的泵浦激光器，其特征在于，所述主燃料腔（22）包括第一燃料腔（221）和第二燃料腔（222），所述燃烧室（21）包括第一燃烧室（211）和第二燃烧室（212），所述第一燃料腔（221）、所述第一燃烧室（211）、所述第二燃料腔（222）、所述第二燃烧室（212）顺次导通，所述泄气通道（281）设置于所述第二燃烧室（212）的侧壁。

7.根据权利要求6所述的泵浦激光器，其特征在于，所述燃烧室（21）靠近所述谐振器的一侧设有导光板（3），所述导光板（3）覆盖所述第一燃烧室（211）和所述第二燃烧室（212）。

8.根据权利要求1所述的泵浦激光器，其特征在于，所述固体燃料（20）为火药粉。

9.根据权利要求8所述的泵浦激光器，其特征在于，所述主燃料腔（22）和副燃料腔（23）内还填充有助燃剂，所述助燃剂与所述固体燃料（20）均匀混合。

10.根据权利要求8所述的泵浦激光器，其特征在于，所述主燃料腔（22）的内壁还设有导流槽，所述导流槽与指向所述燃烧室（21）的直线成3°-10°的夹角。