CN201238151Y - 一种泵浦大尺寸板条形增益介质的高反射率陶瓷聚光腔 - Google Patents
一种泵浦大尺寸板条形增益介质的高反射率陶瓷聚光腔 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型为一种用于泵浦板条形激光增益介质的高反射率陶瓷聚光腔，属于大功率固体激光器技术领域。本聚光腔由上、下两个相同的聚光腔体围成，上下两个聚光腔体通过支撑体固定连接。上下两个聚光腔体为由氧化铝陶瓷制成，聚光腔体的截面形状包括有四段曲线，四段曲线相对于y轴对称，构成了特殊的反射面形状。本实用新型有高的反射效率和好的泵浦均匀性，利于得到高光束质量和高功率的激光输出。
Description
技术领域
一种用于泵浦板条形激光增益介质的高反射率陶瓷聚光腔，属于大功率固体激光器技术领域。
背景技术
固体激光器由于具有高能量存储，波长短、金属吸收率高、易于光纤传输等优点在工业材料加工、表面处理及军事等领域获得越来越广泛的应用。传统的棒状增益介质工作时，棒径向温度梯度引起的热聚焦、应力双折射及应力引起的双轴聚焦对激光器的光束质量和输出功率有很大的影响。板条形增益介质的激光器可以很好的消除一阶热聚集、退偏效应及应力双折射现象，可以得到比棒状激光器更好的光束质量和更高的输出功率。并且可以使用一些由于热透镜效应较大而不适合制作成棒状的激光晶体和激光玻璃。
固体激光器中，聚光腔又称泵浦腔，作用是将泵浦光源辐射的光能有效的传输到工作物质上去，以激励激光工作物质产生激光。聚光腔的传输性能在很大程度上决定了激光系统的总效率，聚光腔除了给光源和吸收激活材料之间提供良好耦合之外，还决定激光工作物质上泵浦能量的分布，从而影响激光器输出光束的均匀性，发散度和光学热畸变。所以，聚光腔设计的好坏直接影响激光器的转换效率、输出功率和激光光束质量。
聚光腔结构种类繁多，针对不同几何形状的激光增益介质通常采用不同的设计。常用的泵浦板条形增益介质的聚光腔有：三角形聚光腔(如图1)，平顶聚光腔(如图2)、圆柱形聚光腔(如图3)、双渐开线形聚光腔等(如图4)。三角形聚光腔成一定角度的反射面可以把泵浦光反射到板条接收面上，优点是结构简单，加工方便，对机械加工的精度及闪光灯的位置精度要求不高。三角形聚光腔的缺点是顶角及闪光灯自吸收引起光能损失，限制聚光效率提高。平顶聚光腔可以看作三角形聚光腔的一种特例，其结构简单，但由于反射回的泵浦光部分返回闪光灯并被吸收，因而传输效率不高，光能分布也不均匀，并且由于灯的自吸收严重，影响灯的寿命。圆柱形聚光腔具有比较高的光传输效率，但是泵浦光的分布均匀性较差，影响激光输出的功率和光束质量。双渐开线形聚光腔利用了渐开线上任一点的法线与渐开线的基圆相切，因而其能将闪光灯发出的所有方向上的光避开灯的等离子体反射，提高了光能传输效率，并且光分布具有较好的均匀性。双渐开线形聚光腔的缺点是加工比较困难，制造成本高。
聚光腔从反射形式上有镜面反射和漫反射腔。聚光腔为漫反射腔时，在聚光腔内可形成均匀光场，投射到增益介质上的光能也是均匀的。一般漫反射面可用氧化镁(MgO)、硫酸钡(BaSO4)等粉末材料制成。漫反射腔的效率通常比镜面反射腔效率低，影响激光器的转换效率及输出功率。镜面反射腔利用光学成像原理将泵浦光会聚到增益介质上，聚光腔直接用抛光的银皮或铝皮制成，或者利用金属聚光腔内表面抛光或镀高反射金属层。镜面反射腔要获得良好的光学均匀性，则要求有严格的腔体反射面的几何形状，实际上加工时很难做到，这使其泵浦的均匀性较差。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服了现有聚光腔的上述缺陷，提供了一种泵浦大尺寸板条形增益介质的高反射率陶瓷聚光腔。通过本聚光腔可以获得高功率高光束质量激光输出，同时还具有结构简单、反射效率高、具有较好的泵浦均匀性、耐腐蚀不老化、加工安装简单等优点。
为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本聚光腔由上、下两个相同的聚光腔体围成，上下两个聚光腔体通过支撑体固定连接。本实用新型中的上下两个聚光腔体为由氧化铝陶瓷制成，聚光腔体的截面形状包括有四段曲线，四段曲线的表达式分别为：
曲线a：-7.35a<x<-3.2a： y＝12.419a+3.87425ax+1.18536ax2+0.120835ax3
曲线b：-3.2a<x<0： y＝4.5a-3.54985ax-1.13467ax2-0.120835ax3
曲线c：0<x<3.2a： y＝4.5a+3.54985ax-1.13467ax2+0.120835ax3
曲线d：2a<x<7.35a： y＝12.419a-3.87425ax+1.18536ax2-0.120835ax3
其中：坐标原点为工作物质抽运面的中心，x轴为沿工作物质抽运面的宽度方向，y轴为沿垂直于工作物质抽运面的方向，a为大于0的系数。
还包括有放置在抽运面两侧的滤光玻璃板，滤光玻璃板通过支撑体固定。
本实用新型中的聚光腔结构简单，有高的反射效率和好的泵浦均匀性，利于得到高光束质量和高功率的激光输出。
附图说明
图1是三角形聚光腔结构示意图；
图2是平顶聚光腔结构示意图；
图3(a)是双灯圆柱形聚光腔结构示意图；
图3(b)是四灯圆柱形聚光腔结构示意图；
图4(a)是双灯双渐开线形聚光腔结构示意图；
图4(b)是四灯双渐开线形聚光腔结构示意图；
图5是本实用新型聚光腔截面结构示意图；
图6是陶瓷体反射面轮廓线(a、b、c、d为轮廓线的四段曲线，e、f分别为a、b和c、d段曲线的分界点)
图7是本新型聚光腔工作原理示意图；
图8是聚光腔反射率曲线图；
图9是泵浦光经漫反射面反射后的光能量分布图；
图中：1、泵浦灯，2、板条形工作物质，3、聚光腔反射面，4、聚光腔，5、支撑体，6、漫反射面，7、工作物质水流通道，8、泵浦灯水流通道，9、玻璃套管，10、滤光玻璃板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
如图7所示，本聚光腔由上下两个结构相同的聚光腔体4围成。聚光腔截面形状如图5、图6所示，以工作物质抽运面的中心作为三维空间的坐标中心即坐标原点，x轴为沿工作物质抽运面的宽度方向，y轴为沿垂直于工作物质抽运面的方向，z轴为沿工作物质抽运面的长度方向。聚光腔体在长度方向上与工作物质的长度匹配，只需在xy平面内确定反射面的轮廓。反射面的轮廓线相对于y轴对称，轮廓线最高点(图6中的e、f点)和该轮廓线与y轴的交点把轮廓线分成四段，如图6中a、b、c、d所示。四段曲线的表达式表示为：
曲线a：-7.35a<x<-3.2a： y＝12.419a+3.87425ax+1.18536ax2+0.120835ax3
曲线b：-3.2a<x<0： y＝4.5a-3.54985ax-1.13467ax2-0.120835ax3
曲线c：0<x<3.2a： y＝4.5a+3.54985ax-1.13467ax2+0.120835ax3
曲线d：2a<x<7.35a： y＝12.419a-3.87425ax+1.18536ax2-0.120835ax3
表达式中a为根据板条形工作物质的截面尺寸确定的大于零的系数，假设板条形工作物质的宽度为L，则a的取值为L/14.7。本实施例中的工作物质选用的是钕玻璃。
本实施例中的聚光腔4由氧化铝陶瓷制成，氧化铝陶瓷具有很高的漫反射率，在570～2000nm波长范围的反射率高达97％以上，而泵浦光源氪灯的线状发射谱中两条最强的发射谱线为760nm和810nm，聚光腔对泵浦光有高的反射率。由于聚光腔利用氧化铝陶瓷的漫反射，泵浦光直射或反射在工作物质板条中照射均匀，其均匀性比镜面反射腔好，有利于减少热畸变，获得高光束质量的激光输出。此外，氧化铝陶瓷热导率、机械强度都很高，耐腐蚀、化学稳定性好，可为激光器提供长期稳定的工作环境。
本实施例中的聚光腔反射面经过后续施薄釉处理，薄釉层不降低陶瓷体表面漫反射率，可吸收波长小于400nm的紫外光，防止工作物质的荧光淬灭。
聚光腔的工作原理参见图7。聚光腔体中心放置工作物质2，本实施例中的工作物质为钕玻璃板条，其抽运面两侧放置滤光玻璃板10，两侧的泵浦灯1分别相对于工作物质2对称放置。支撑体5用于固定聚光腔体4及工作物质2，其中间形成工作物质水流通道7。玻璃套管9与灯之间形成泵浦灯水流通道8。工作时，泵浦灯1发出的泵浦光透过玻璃套管9，经聚光腔体4构成的特殊几何形体反射面6的高效漫反射，再透过滤光玻璃板10均匀地照射在工作物质2上，使工作物质2能产生大功率高光束质量的激光输出。泵浦光经聚光腔反射面6漫反射时，其中部分波长小于400nm的紫外光被吸收，再经滤光玻璃板10时，波长1060nm的红外光和小于300nm的紫外光被吸收，同时发出可见荧光，对于工作物质2既可滤掉有害光又可消除“退泵”现象提高泵浦效率。冷却水经工作物质水流通道7沿滤光玻璃板10及工作物质板条2流过，经泵浦灯水流通道8沿泵浦灯1流过，流速大而均匀地进行冷却。
本聚光腔结构简单，有高的反射效率(如图8所示)、好的泵浦均匀性(如图9所示)。
Claims (2)
1、一种泵浦大尺寸板条形增益介质的高反射率陶瓷聚光腔，由上、下两个相同的聚光腔体围成，上下两个聚光腔体通过支撑体(5)固定连接，其特征在于：所述的上下两个聚光腔体为由氧化铝陶瓷制成的聚光腔体(4)，聚光腔体(4)的截面形状包括有四段曲线，四段曲线的表达式分别为：
曲线a：-7.35a<x<-3.2a：y＝12.419a+3.87425ax+1.18536ax2+0.120835ax3
曲线b：-3.2a<x<0：y＝4.5a-3.54985ax-1.13467ax2-0.120835ax3
曲线c：0<x<3.2a：y＝4.5a+3.54985ax-1.13467ax2+0.120835ax3
曲线d：2a<x<7.35a：y＝12.419a-3.87425ax+1.18536ax2-0.120835ax3
其中：坐标原点为工作物质抽运面的中心，x轴为沿工作物质抽运面的宽度方向，y轴为沿垂直于工作物质抽运面的方向，a的取值小于等于L/14.7，L为工作物质的宽度。
2、根据权利要求1所述的一种泵浦大尺寸板条形增益介质的高反射率陶瓷聚光腔，其特征在于：还包括有放置在抽运面两侧的滤光玻璃板(10)，滤光玻璃板(10)通过支撑体(5)固定。
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|---|---|---|---|---|
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| CN109888606A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-14 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块 |
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