專利名稱：一種泵浦大尺寸板條形增益介質(zhì)的高反射率陶瓷聚光腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種用于泵浦板條形激光增益介質(zhì)的高反射率陶瓷聚光腔，屬于大功率 固體激光器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
固體激光器由于具有高能量存儲，波長短、金屬吸收率高、易于光纖傳 輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)在工業(yè)材料加工、表面處理及軍事等領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。 傳統(tǒng)的棒狀增益介質(zhì)工作時(shí)，棒徑向溫度梯度引起的熱聚焦、應(yīng)力雙折射及 應(yīng)力引起的雙軸聚焦對激光器的光束質(zhì)量和輸出功率有很大的影響。板條形 增益介質(zhì)的激光器可以很好的消除一階熱聚集、退偏效應(yīng)及應(yīng)力雙折射現(xiàn)象， 可以得到比棒狀激光器更好的光束質(zhì)量和更高的輸出功率。并且可以使用一 些由于熱透鏡效應(yīng)較大而不適合制作成棒狀的激光晶體和激光玻璃。
固體激光器中，聚光腔又稱泵浦腔，作用是將泵浦光源輻射的光能有效 的傳輸?shù)焦ぷ魑镔|(zhì)上去，以激勵激光工作物質(zhì)產(chǎn)生激光。聚光腔的傳輸性能 在很大程度上決定了激光系統(tǒng)的總效率，聚光腔除了給光源和吸收激活材料 之間提供良好耦合之外，還決定激光工作物質(zhì)上泵浦能量的分布，從而影響 激光器輸出光束的均勻性，發(fā)散度和光學(xué)熱畸變。所以，聚光腔設(shè)計(jì)的好壞 直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效率、輸出功率和激光光束質(zhì)量。
聚光腔結(jié)構(gòu)種類繁多，針對不同幾何形狀的激光增益介質(zhì)通常采用不同 的設(shè)計(jì)。常用的泵浦板條形增益介質(zhì)的聚光腔有三角形聚光腔(如圖l)， 平頂聚光腔(如圖2)、圓柱形聚光腔(如圖3)、雙漸開線形聚光腔等(如圖 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條接收面上， 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，對機(jī)械加工的精度及閃光燈的位置精度要求不 高。三角形聚光腔的缺點(diǎn)是頂角及閃光燈自吸收引起光能損失，限制聚光效 率提高。平頂聚光腔可以看作三角形聚光腔的一種特例，其結(jié)構(gòu)簡單，但由于反射回的泵浦光部分返回閃光燈并被吸收，因而傳輸效率不高，光能分布 也不均勻，并且由于燈的自吸收嚴(yán)重，影響燈的壽命。圓柱形聚光腔具有比 較高的光傳輸效率，但是泵浦光的分布均勻性較差，影響激光輸出的功率和 光束質(zhì)量。雙漸開線形聚光腔利用了漸開線上任一點(diǎn)的法線與漸開線的基圓 相切，因而其能將閃光燈發(fā)出的所有方向上的光避開燈的等離子體反射，提 高了光能傳輸效率，并且光分布具有較好的均勻性。雙漸開線形聚光腔的缺 點(diǎn)是加工比較困難，制造成本高。
聚光腔從反射形式上有鏡面反射和漫反射腔。聚光腔為漫反射腔時(shí)，在聚 光腔內(nèi)可形成均勻光場，投射到增益介質(zhì)上的光能也是均勻的。 一般漫反射
面可用氧化鎂(Mg0)、硫酸鋇(BaS04)等粉末材料制成。漫反射腔的效率通 常比鏡面反射腔效率低，影響激光器的轉(zhuǎn)換效率及輸出功率。鏡面反射腔利 用光學(xué)成像原理將泵浦光會聚到增益介質(zhì)上，聚光腔直接用拋光的銀皮或鋁 皮制成，或者利用金屬聚光腔內(nèi)表面拋光或鍍高反射金屬層。鏡面反射腔要 獲得良好的光學(xué)均勻性，則要求有嚴(yán)格的腔體反射面的幾何形狀，實(shí)際上加 工時(shí)很難做到，這使其泵浦的均勻性較差。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服了現(xiàn)有聚光腔的上述缺陷，提供了一種泵浦 大尺寸板條形增益介質(zhì)的高反射率陶瓷聚光腔。通過本聚光腔可以獲得高功 率高光束質(zhì)量激光輸出，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡單、反射效率高、具有較好的泵 浦均勻性、耐腐蝕不老化、加工安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。本聚光腔由上、 下兩個相同的聚光腔體圍成，上下兩個聚光腔體通過支撐體固定連接。本實(shí) 用新型中的上下兩個聚光腔體為由氧化鋁陶瓷制成，聚光腔體的截面形狀包
括有四段曲線，四段曲線的表達(dá)式分別為曲線a: — 7.35a<;c<-3.2a: y = 12.419of + 3.87425aDC + 1.18536ax2 +0.120835ox3
曲線b: —3.2a<x<0: _y = 4.5a-3.54985ac —U3467ax2-0.120835ax3
曲線c: 0<x<3.2": _y = 4.5fl + 3.54985ax —1.13467ax2+0.120835ax3
曲線d: 2a<x<7.35a: ^ = 12.419flf-3.87425ax + 1.18536ax2 —0.120835ax3
其中坐標(biāo)原點(diǎn)為工作物質(zhì)抽運(yùn)面的中心，x軸為沿工作物質(zhì)抽運(yùn)面的寬
度方向，y軸為沿垂直于工作物質(zhì)抽運(yùn)面的方向，a為大于O的系數(shù)。
還包括有放置在抽運(yùn)面兩側(cè)的濾光玻璃板，濾光玻璃板通過支撐體固定。
本實(shí)用新型中的聚光腔結(jié)構(gòu)簡單，有高的反射效率和好的泵浦均勻性， 利于得到高光束質(zhì)量和高功率的激光輸出。

圖1是三角形聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖2是平頂聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖3 (a)是雙燈圓柱形聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖3 (b)是四燈圓柱形聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖4 (a)是雙燈雙漸開線形聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖4 (b)是四燈雙漸開線形聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖5是本實(shí)用新型聚光腔截面結(jié)構(gòu)示意圖6是陶瓷體反射面輪廓線(a、 b、 c、 d為輪廓線的四段曲線，e、 f分別為a、
b和c、 d段曲線的分界點(diǎn))
圖7是本新型聚光腔工作原理示意圖8是聚光腔反射率曲線圖9是泵浦光經(jīng)漫反射面反射后的光能量分布圖中1、泵浦燈，2、板條形工作物質(zhì)，3、聚光腔反射面，4、聚光腔， 5、支撐體，6、漫反射面，7、工作物質(zhì)水流通道，8、泵浦燈水流通道，9、 玻璃套管，10、濾光玻璃板。
具體實(shí)施方式

5
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明
如圖7所示，本聚光腔由上下兩個結(jié)構(gòu)相同的聚光腔體4圍成。聚光腔
截面形狀如圖5、圖6所示，以工作物質(zhì)抽運(yùn)面的中心作為三維空間的坐標(biāo)中 心即坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸為沿工作物質(zhì)抽運(yùn)面的寬度方向，y軸為沿垂直于工作物 質(zhì)抽運(yùn)面的方向，z軸為沿工作物質(zhì)抽運(yùn)面的長度方向。聚光腔體在長度方向 上與工作物質(zhì)的長度匹配，只需在xy平面內(nèi)確定反射面的輪廓。反射面的輪 廓線相對于y軸對稱，輪廓線最高點(diǎn)(圖6中的e、 f點(diǎn))和該輪廓線與y軸 的交點(diǎn)把輪廓線分成四段，如圖6中a、 b、 c、 d所示。四段曲線的表達(dá)式表
示為
曲線a: -7.35a<;c<—3.2仏；;=12.419a + 3.87425ox + 1.18536flx2+0.120835ox3
曲線b: -3.2fl<x<0: y = 4.5fl-3.54985ox —1.13467 x2—(U20835ox3
曲線c: 0<jc<3.2a: y = 4.5fl + 3.54985ox —1.13467ox2+0.120835ox3
曲線d: 2a<x<7.35fl: ;^12.419a-3.87425^c + 1.18536ox2—0.120835ox3
表達(dá)式中a為根據(jù)板條形工作物質(zhì)的截面尺寸確定的大于零的系數(shù)，假設(shè)
板條形工作物質(zhì)的寬度為L，則a的取值為Z/14.7。本實(shí)施例中的工作物質(zhì)選
用的是釹玻璃。
本實(shí)施例中的聚光腔4由氧化鋁陶瓷制成，氧化鋁陶瓷具有很高的漫反 射率，在570 2000nm波長范圍的反射率高達(dá)97%以上，而泵浦光源氪燈的線 狀發(fā)射譜中兩條最強(qiáng)的發(fā)射譜線為760nm和S10nm,聚光腔對泵浦光有高的反 射率。由于聚光腔利用氧化鋁陶瓷的漫反射，泵浦光直射或反射在工作物質(zhì) 板條中照射均勻，其均勻性比鏡面反射腔好，有利于減少熱畸變，獲得高光 束質(zhì)量的激光輸出。此外，氧化鋁陶瓷熱導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度都很高，耐腐蝕、 化學(xué)穩(wěn)定性好，可為激光器提供長期穩(wěn)定的工作環(huán)境。
本實(shí)施例中的聚光腔反射面經(jīng)過后續(xù)施薄釉處理，薄釉層不降低陶瓷體 表面漫反射率，可吸收波長小于400nm的紫外光，防止工作物質(zhì)的熒光淬滅。
聚光腔的工作原理參見圖7。聚光腔體中心放置工作物質(zhì)2，本實(shí)施例中 的工作物質(zhì)為釹玻璃板條，其抽運(yùn)面兩側(cè)放置濾光玻璃板10，兩側(cè)的泵浦燈
61分別相對于工作物質(zhì)2對稱放置。支撐體5用于固定聚光腔體4及工作物質(zhì) 2，其中間形成工作物質(zhì)水流通道7。玻璃套管9與燈之間形成泵浦燈水流通 道8。工作時(shí)，泵浦燈1發(fā)出的泵浦光透過玻璃套管9，經(jīng)聚光腔體4構(gòu)成的 特殊幾何形體反射面6的高效漫反射，再透過濾光玻璃板10均勻地照射在工 作物質(zhì)2上，使工作物質(zhì)2能產(chǎn)生大功率高光束質(zhì)量的激光輸出。泵浦光經(jīng) 聚光腔反射面6漫反射時(shí)，其中部分波長小于400nm的紫外光被吸收，再經(jīng) 濾光玻璃板10時(shí)，波長1060nm的紅外光和小于300nm的紫外光被吸收，同 時(shí)發(fā)出可見熒光，對于工作物質(zhì)2既可濾掉有害光又可消除"退泵"現(xiàn)象提 高泵浦效率。冷卻水經(jīng)工作物質(zhì)水流通道7沿濾光玻璃板10及工作物質(zhì)板條 2流過，經(jīng)泵浦燈水流通道8沿泵浦燈1流過，流速大而均勻地進(jìn)行冷卻。
本聚光腔結(jié)構(gòu)簡單，有高的反射效率(如圖8所示)、好的泵浦均勻性(如 圖9所示)。
權(quán)利要求1、一種泵浦大尺寸板條形增益介質(zhì)的高反射率陶瓷聚光腔，由上、下兩個相同的聚光腔體圍成，上下兩個聚光腔體通過支撐體(5)固定連接，其特征在于所述的上下兩個聚光腔體為由氧化鋁陶瓷制成的聚光腔體(4)，聚光腔體(4)的截面形狀包括有四段曲線，四段曲線的表達(dá)式分別為曲線a-7. 35a<x<-3.2ay＝12.419a+3.87425ax+1.18536ax2+0.120835ax3曲線b-3. 2a<x<0y＝4.5a-3.54985ax-1.13467ax2-0.120835ax3曲線c0<x<3.2ay＝4.5a+3.54985ax-1.13467ax2+0.120835ax3曲線d2a<x<7.35ay＝12.419a-3.87425ax+1.18536ax2-0.120835ax3其中坐標(biāo)原點(diǎn)為工作物質(zhì)抽運(yùn)面的中心，x軸為沿工作物質(zhì)抽運(yùn)面的寬度方向，y軸為沿垂直于工作物質(zhì)抽運(yùn)面的方向，a的取值小于等于L/14.7，L為工作物質(zhì)的寬度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泵浦大尺寸板條形增益介質(zhì)的高反射率陶瓷聚 光腔，其特征在于還包括有放置在抽運(yùn)面兩側(cè)的濾光玻璃板(10)，濾光 玻璃< >板(10)通過支撐體(5)固定。
專利摘要本實(shí)用新型為一種用于泵浦板條形激光增益介質(zhì)的高反射率陶瓷聚光腔，屬于大功率固體激光器技術(shù)領(lǐng)域。本聚光腔由上、下兩個相同的聚光腔體圍成，上下兩個聚光腔體通過支撐體固定連接。上下兩個聚光腔體為由氧化鋁陶瓷制成，聚光腔體的截面形狀包括有四段曲線，四段曲線相對于y軸對稱，構(gòu)成了特殊的反射面形狀。本實(shí)用新型有高的反射效率和好的泵浦均勻性，利于得到高光束質(zhì)量和高功率的激光輸出。
文檔編號H01S3/081GK201238151SQ200820108878
公開日2009年5月13日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者姜夢華, 惠勇凌, 強(qiáng) 李, 訇 雷 申請人:北京工業(yè)大學(xué)