專利名稱：分布反饋固-液激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光系統(tǒng)，特別涉及一種高功率、高光束質(zhì)量的分布反饋固-液激光器。
背景技術(shù)：
當(dāng)前激光器有多種類型，包括液體激光器，氣體激光器，等離子體激光器以及固體激光器等。 液體激光器的增益介質(zhì)通常由有機(jī)染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中組成。增益介質(zhì)通常由閃光燈或其他激光來進(jìn)行泵浦。這類激光器通常存在很寬的增益帶寬，從可見光到近紅外等。高增益和寬發(fā)射截面使液體激光器在很多方面得到了很好的應(yīng)用。但是，這些染料激光器上能級壽命很短，使之不能應(yīng)用在高功率激光領(lǐng)域。同時(shí)，部分液體的吸收帶寬與半導(dǎo)體泵浦激光器的發(fā)射譜不相匹配，因此不能使用半導(dǎo)體二極管作為其泵浦源。固體激光器的增益介質(zhì)通常由摻雜激活離子的晶體組成。其中常用的激光激活離子主要為稀土粒子，例如釹離子、鉺離子、鐿離子等。激光器的特性，如吸收特性、受激發(fā)射截面、上能級壽命等，主要由摻雜離子以及晶體之間的相互作用所決定。這些因素決定了激光介質(zhì)的能級和線寬等。固體激光器的增益介質(zhì)通常為棒狀和片狀結(jié)構(gòu)，主要采取半導(dǎo)體激光二極管泵浦。對于固體激光器來說，在高功率下由于泵浦引起的熱效應(yīng)將嚴(yán)重影響其平均功率和光束質(zhì)量。晶體的熱主要來自于量子損耗，晶體所產(chǎn)生的熱必須及時(shí)被帶走，否則不均勻的熱分布在晶體上將形成熱梯度，會(huì)對晶體造成一定的形變，從而會(huì)影響激光的輸出。因此對于固體激光器來說如何采取有效的熱管理是其面臨的主要問題。為了解決液體激光器增益介質(zhì)吸收帶寬問題和固體激光器的熱管理問題，美國人 Michael D. perry,提出了一種分布增益的激光裝置[US. Patent6937629 和 US. Patent7366221],該裝置保留了激光器的腔結(jié)構(gòu)，將增益介質(zhì)切割成片，并以梳狀方式排列在容器中，憑借液體在固體片之間的流動(dòng)來降低增益介質(zhì)表面的溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有固體激光器和液體激光器的性能不足，從而提供一種將固體增益介質(zhì)片和匹配液混合而成的新型分布反饋固液激光器，利用光在固體增益介質(zhì)片中的分布反饋放大，以及匹配液對固體增益介質(zhì)片的有效冷卻，實(shí)現(xiàn)激光雙向輸出，具有結(jié)構(gòu)緊湊和效率高的特點(diǎn)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的分布反饋固液激光器，其包括一泵浦源；一橢圓形反射腔體；一盛裝增益介質(zhì)片和匹配液的腔體和控制匹配液溫度及循環(huán)的帶有液體泵的溫控循環(huán)裝置；
所述泵浦源和腔體分別位于所述橢圓形反射腔體的兩個(gè)焦點(diǎn)處；與所述液體泵相連的匹配液流通管道；及與溫控循環(huán)裝置相連通的匹配液回流管道；所述增益介質(zhì)片浸于所述匹配液中并固定于腔體內(nèi)，增益介質(zhì)片具有平行的兩個(gè)大平面，該兩個(gè)大平面經(jīng)光學(xué)拋光后作為激光通光面，增益介質(zhì)片的該兩個(gè)大平面和腔體軸線成e角，0° < 0蘭90° ;所述腔體兩端面上對稱地設(shè)置用作激光雙向輸出的光學(xué)窗口 ；所述腔體具有一個(gè)液體入口和一個(gè)液體出口 ；所述液體入口與匹配液流通管道相連通，所述液體出口與匹配液回流管道相連通，裝于腔體的匹配液由腔體的液體出口流出，經(jīng)過匹配液回流管道進(jìn)入溫控循環(huán)裝置，在溫控循環(huán)裝置中進(jìn)行熱交換，匹配液在增益介質(zhì)片之間層流帶走增益介質(zhì)片產(chǎn)生的熱，之后匹配液通過與溫控循環(huán)裝置相連的液體泵及液體入口重新被泵入腔體，進(jìn)行匹配液的下一次循環(huán)；·所述泵浦發(fā)出的泵浦光通過橢圓形反射腔體反射后對腔體內(nèi)的增益介質(zhì)片進(jìn)行泵浦，腔體內(nèi)部形成兩列反向行進(jìn)的光波，一列沿X軸正向傳播，另一列朝X軸負(fù)向傳播；每一列光波在增益介質(zhì)片之間的傳播過程中接收來自另一列反向傳輸光波的部分反射光，在增益介質(zhì)片上產(chǎn)生反饋增益，得到反饋增益激光。所述的泵浦源為半導(dǎo)體二極管激光器或閃光燈。所述的橢圓形反射腔體內(nèi)壁上涂有高反涂層。所述的增益介質(zhì)片為摻雜激活粒子的基質(zhì)材料片，所述基質(zhì)材料片的基質(zhì)材料為玻璃、藍(lán)寶石、石榴石、氧化鋁、硫氧化物、磷酸鹽、硅酸鹽、鎢酸鹽、鑰酸鹽、釩酸鹽、鈹酸鹽；氟化物或陶瓷；所述激活粒子為稀土離子、錒系離子或過渡金屬粒子；所述稀土離子為釹、輯、欽、錢、鐠、fH、^^或摘。所述增益介質(zhì)片厚度d同時(shí)滿足d>ln(l/gTlT2)和d〈(4K A T/Q)l/2公式；其中，Tl和T2分別為增益介質(zhì)片兩端面的透射率，g為增益介質(zhì)片單位長度的增益值；k為增益介質(zhì)片的熱導(dǎo)率，AT為增益介質(zhì)片表面溫度和中心溫度的溫度差，Q為增益介質(zhì)片單位體積的發(fā)熱量。所述相鄰二增益介質(zhì)片之間的距離為D，0〈D〈100mm。所述的匹配液為有機(jī)冷卻液或無機(jī)冷卻液，如十八稀溶液，酒精等；匹配液折射率與增益介質(zhì)片折射率之差A(yù) n滿足下述條件10_5 < An < I。本發(fā)明的分布反饋固液混合激光器具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的分布反饋的固液混合激光器，增益介質(zhì)片按一定方式(增益介質(zhì)片的兩個(gè)大平面法線和腔體軸線成e角，0° = 0 < 90° )排列，作為光分布反饋的基礎(chǔ)，同時(shí)提供光放大的有效增益；匹配液在增益介質(zhì)片之間層流，有效地將固體增益介質(zhì)片產(chǎn)生的熱通過流動(dòng)液體帶走，避免增益介質(zhì)片形變；盛裝增益介質(zhì)片及匹配液的腔體位于橢圓形激光腔體的一個(gè)焦點(diǎn)處，泵浦源位于橢圓形激光腔體的另一個(gè)焦點(diǎn)處，泵浦源發(fā)出的泵浦光通過腔體的反射，匯聚到固體增益介質(zhì)片上，對固體增益介質(zhì)片進(jìn)行泵浦；固體增益介質(zhì)片具有一定的厚度，可使特定波長的光可以通過固體增益介質(zhì)片并產(chǎn)生放大；光在每個(gè)固體增益介質(zhì)片與匹配液界面上發(fā)生反饋；當(dāng)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)即形成激光雙向輸出。本發(fā)明是基于分布反饋理論實(shí)現(xiàn)激光在裝置中的雙向輸出，由于采用多個(gè)固體增益介質(zhì)片，表面沒有鍍膜，因此可長時(shí)間在液體中浸泡；本發(fā)明的分布反饋固液混合激光器中不一定必須有腔鏡，便可實(shí)現(xiàn)激光的雙向輸出，如果在腔體2兩端添加腔鏡，同樣也可以實(shí)現(xiàn)激光的雙向輸出，同時(shí)可以控制激光功率的輸出。


圖I為本發(fā)明分布反饋固-液激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為腔體2與液體入口 5和液體出口 6的示意圖；圖3為腔體2及匹配液11在增益介質(zhì)片12之間層流的示意圖；圖4為橢圓形反射腔體4、泵浦源3及腔體2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例I :圖I為本發(fā)明分布反饋固-液激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為腔體2與液體入口 5和液體出口 6的示意圖；圖3為腔體2及匹配液11在增益介質(zhì)片12之間層流的示意圖；圖4為橢圓形反射腔體4、泵浦源3及腔體2的結(jié)構(gòu)示意圖；由圖可知，本發(fā)明提供的一種分布反饋固液激光器，其包括一泵浦源3 ；一橢圓形反射腔體4;一盛裝增益介質(zhì)片12和匹配液11的腔體2和控制匹配液溫度及循環(huán)的帶有液體泵7的溫控循環(huán)裝置8 ；所述泵浦源3和腔體2分別位于所述橢圓形反射腔體4的兩個(gè)焦點(diǎn)處；與所述液體泵7相連的匹配液流通管道9 ;及與溫控循環(huán)裝置8相連通的匹配液回流管道10 ；所述增益介質(zhì)片12浸于所述匹配液11中并固定于腔體2內(nèi)，增益介質(zhì)片12具有平行的兩個(gè)大平面，該兩個(gè)大平面經(jīng)光學(xué)拋光后作為激光通光面，增益介質(zhì)片12的兩個(gè)大平面法線和腔體2軸線成Θ角，0°含Θ <90° ；所述腔體2兩端面上對稱地設(shè)置用作激光雙向輸出的光學(xué)窗口 13 ；所述腔體2具有一個(gè)液體入口 5和一個(gè)液體出口 6 ;所述液體入口 5與匹配液流通管道9相連通，所述液體出口 6與匹配液回流管道10相連通，裝于腔體2的匹配液11由腔體2的液體出口 6流出，經(jīng)過匹配液回流管道10進(jìn)入溫控循環(huán)裝置8，在溫控循環(huán)裝置8中進(jìn)行熱交換，匹配液11在增益介質(zhì)片12之間層流帶走增益介質(zhì)片12產(chǎn)生的熱，之后匹配液11通過與溫控循環(huán)裝置8相連的液體泵7及液體入口 5重新被泵入腔體2，進(jìn)行匹配液的下一次循環(huán)；所述泵浦3發(fā)出的泵浦光通過橢圓形反射腔體4反射后對腔體2內(nèi)的增益介質(zhì)片12進(jìn)行泵浦，腔體2內(nèi)部形成兩列反向行進(jìn)的光波，一列沿X軸正向傳播，另一列朝X軸負(fù)向傳播；每一列光波在增益介質(zhì)片之間的傳播過程中接收來自另一列反向傳輸光波的部分反射光，在增益介質(zhì)片上產(chǎn)生反饋增益，得到反饋增益激光。實(shí)施例1，
圖I和圖2給出本發(fā)明一實(shí)施例的分布反饋固液激光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例中，泵浦源3為808nm半導(dǎo)體二極管泵浦裝置，增益介質(zhì)片12為摻雜釹離子(Nd3+)的YAG晶體片，匹配液為十八稀溶液；Nd:YAG晶體片和十八稀溶液盛裝于腔體2 ;泵浦源3和腔體2分別位于橢圓形反射腔體4的兩個(gè)焦點(diǎn)處；Nd:YAG晶體片切割成方片狀，并固定于腔體2內(nèi)，NdiYAG晶體片厚度d=lmm，兩個(gè)大面嚴(yán)格平行，折射率為Ii1=L 82，兩個(gè)大面經(jīng)光學(xué)拋光后作激光通光面；Nd:YAG晶體片的法線和腔體2軸線平行，相鄰Nd:YAG晶體片間距離D=2mm ;作為泵浦源的808nm半導(dǎo)體二極管泵浦裝置對Nd = YAG晶體片進(jìn)行泵浦，匹配液(十八稀溶液)在Nd = YAG晶體片之間流動(dòng)(層流)，將泵浦對Nd = YAG晶體片產(chǎn)生的熱帶走，從而降低Nd:YAG晶體片的溫度，實(shí)現(xiàn)有效的熱管理；腔體2的端面上對稱地設(shè)置兩個(gè)光學(xué)窗口 13，用作激光雙向輸出；腔體2側(cè)壁上還對稱地設(shè)置液體(循環(huán)十八稀溶液)入口 5和液體(循環(huán)十八稀溶液)出口 6 ;液體入口 5與匹配液流通管道9相連通，液體出口 6與匹配液回流管道10相連通，匹配液流通管道9另一端與液體泵7相連，液體泵7與溫控循環(huán)裝置相連8，溫控循環(huán)裝置8與匹配液回流管道10相連；裝于腔體2的匹配液11由腔體2的液體出口 6流出，經(jīng)過匹配液回流管道10進(jìn)入溫控循環(huán)裝置8，在溫控循環(huán)裝置8中進(jìn)行熱交換，匹配液11在Nd: YAG晶體片之間層流帶走Nd: YAG晶體片產(chǎn)生的熱，之后匹配液11通過 與溫控循環(huán)裝置8相連的液體泵7及液體入口 5重新被泵入腔體2，以實(shí)現(xiàn)匹配液11的循環(huán)使用；泵浦源3發(fā)出的泵浦光通過橢圓形反射腔體4反射后對腔體2內(nèi)的Nd:YAG晶體片進(jìn)行泵浦，腔體2內(nèi)部形成兩列反向行進(jìn)的光波，一列沿X軸正向傳播，另一列朝X軸負(fù)向傳播；每一列光波在Nd:YAG晶體片之間的傳播過程中接收來自另一列反向傳輸光波的部分反射光，在增益介質(zhì)片上產(chǎn)生反饋增益，得到高光束質(zhì)量高功率的反饋增益激光輸出。實(shí)施例2本實(shí)施例2為一種產(chǎn)生激光波長為1030nm固液混合激光的激光器。本實(shí)施例與實(shí)施例I類似，不同之處有兩點(diǎn)，一是增益介質(zhì)片12選用摻雜濃度為
2.at%的Yb = YAG晶體片，該Yb = YAG晶體片形狀與實(shí)施例I類似；二是泵浦源3采用波長為940nm的半導(dǎo)體二極管泵浦裝置。同樣的道理，本發(fā)明的增益介質(zhì)片12為摻雜激活粒子的基質(zhì)材料片，所述基質(zhì)材料片的基質(zhì)材料為玻璃、藍(lán)寶石、石榴石、氧化鋁、硫氧化物、磷酸鹽、硅酸鹽、鎢酸鹽、鑰酸鹽、釩酸鹽、鈹酸鹽；氟化物或陶瓷；所述激活粒子為稀土離子、錒系離子或過渡金屬粒子；所述稀土離子為釹、鉺、欽、銩、鐠、釔、釓、釤或鏑；本發(fā)明的增益介質(zhì)片12采用上述材料均可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案。另外，本實(shí)施例的橢圓形反射腔體4內(nèi)壁上涂有高反涂層，如聚四氟乙烯。實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例I類似，不同之處有二點(diǎn)，一是對腔體2端面的兩個(gè)光學(xué)窗口進(jìn)行鍍膜，即兩個(gè)光學(xué)窗口分別鍍有對激光波長5%透過率的膜，使腔體2內(nèi)的激光產(chǎn)生雙向部分輸出，同時(shí)也可以在腔體2外部添加腔鏡；二是泵浦源3采用閃光燈泵浦。實(shí)施例4本實(shí)施例與實(shí)施例I類似，不同之處主要是增益介質(zhì)片12之間通過壓電陶瓷連接，通過改變壓電陶瓷的電壓，改變壓電陶瓷的伸縮量，進(jìn)而調(diào)節(jié)增益介質(zhì)片12之間的距離。實(shí)施例5本實(shí)施例與實(shí)施例I類似，不同之處主要是增益介質(zhì)片12的兩個(gè)大平面和腔體2軸線成布魯斯特角Φ(θ=90° _Φ)，由于η個(gè)增益介質(zhì)片平行排列，折射光連續(xù)經(jīng)過多次折射，透射光幾乎是線偏振光輸出。實(shí)施例6本實(shí)施例與實(shí)施例I類似，對于Icm長的Yb = YAG晶體，小信號單程增益為g=l. 5/cm,增益介質(zhì)片的兩端透過率為T1=T2=0. 8，K=O. 14ff/cm · K，，Λ T=20°C，Q=20ff/cm3增益介質(zhì)片的厚度滿足，此時(shí)可以取d=0. 1cm。實(shí)施例7本實(shí)施例與實(shí)施例I類似，不同之處在于當(dāng)液體流速在2L/min時(shí)，增益介質(zhì)片之間的距離D=10mm。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變型，但這些相應(yīng)的改變和變型都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。權(quán)利要求
1.一種分布反饋固液激光器，其包括 一泵浦源； 一橢圓形反射腔體； 一盛裝增益介質(zhì)片和匹配液的腔體和控制匹配液溫度及循環(huán)的帶有液體泵的溫控循環(huán)裝置； 所述泵浦源和腔體分別位于所述橢圓形反射腔體的兩個(gè)焦點(diǎn)處； 與所述液體泵相連的匹配液流通管道；及與溫控循環(huán)裝置相連通的匹配液回流管道； 所述增益介質(zhì)片浸于所述匹配液中并固定于腔體內(nèi)，增益介質(zhì)片具有平行的兩個(gè)大平面，該兩個(gè)大平面經(jīng)光學(xué)拋光后作為激光通光面，增益介質(zhì)片兩個(gè)大平面的法線和腔體軸線成0角，O。蘭0 < 90。； 所述腔體兩端面上對稱地設(shè)置用作激光雙向輸出的光學(xué)窗口； 所述腔體具有一個(gè)液體入口和一個(gè)液體出口 ；所述液體入口與匹配液流通管道相連通，所述液體出口與匹配液回流管道相連通，裝于腔體的匹配液由腔體的液體出口流出，經(jīng)過匹配液回流管道進(jìn)入溫控循環(huán)裝置，在溫控循環(huán)裝置中進(jìn)行熱交換，匹配液在增益介質(zhì)片之間層流帶走增益介質(zhì)片產(chǎn)生的熱，之后匹配液通過與溫控循環(huán)裝置相連的液體泵及液體入口重新被泵入腔體，進(jìn)行匹配液的下一次循環(huán)； 所述泵浦發(fā)出的泵浦光通過橢圓形反射腔體反射后對腔體內(nèi)的增益介質(zhì)片進(jìn)行泵浦，腔體內(nèi)部形成兩列反向行進(jìn)的光波，一列沿X軸正向傳播，另一列朝X軸負(fù)向傳播；每一列光波在增益介質(zhì)片之間的傳播過程中接收來自另一列反向傳輸光波的部分反射光，在增益介質(zhì)片上產(chǎn)生反饋增益，得到反饋增益激光。
2.按權(quán)利要求I所述的分布反饋固液激光器，其特征在于，所述的泵浦源為半導(dǎo)體二極管激光器或閃光燈。
3.按權(quán)利要求I所述的分布反饋固液激光器，其特征在于，所述的橢圓形反射腔體內(nèi)壁上涂有聞反涂層。
4.按權(quán)利要求I所述的分布反饋固液激光器，其特征在于，所述的增益介質(zhì)片為摻雜激活粒子的基質(zhì)材料片，所述基質(zhì)材料片的基質(zhì)材料為玻璃、藍(lán)寶石、石榴石、氧化鋁、硫氧化物、磷酸鹽、硅酸鹽、鎢酸鹽、鑰酸鹽、釩酸鹽、鈹酸鹽；氟化物或陶瓷；所述激活粒子為稀土離子、錒系離子或過渡金屬粒子；所述稀土離子為釹、鉺、欽、銩、鐠、釔、釓、釤或鏑。
5.按權(quán)利要求I所述的分布反饋固液激光器，其特征在于，所述增益介質(zhì)片厚度d同時(shí)滿足 d>ln(l/gTlT2)和 d〈 (4KAT/Q) 1/2 公式； 其中，Tl和T2分別為增益介質(zhì)片兩端面的透射率，g為增益介質(zhì)片單位長度的增益值；k為增益介質(zhì)片的熱導(dǎo)率，AT為增益介質(zhì)片表面溫度和中心溫度的溫度差，Q為增益介質(zhì)片單位體積的發(fā)熱量。
6.按權(quán)利要求I所述的分布反饋固液激光器，其特征在于，所述相鄰二增益介質(zhì)片之間的距離為D，0〈D〈100mm。
7.按權(quán)利要求I所述的分布反饋固液激光器，其特征在于，所述的匹配液為有機(jī)冷卻液或無機(jī)冷卻液，如有機(jī)十八稀溶液，酒精等；匹配液折射率與增益介質(zhì)片折射率之差A(yù)n滿足下述條件1(T5〈 An〈l。
全文摘要
本發(fā)明涉及的分布反饋固液激光裝置，包括泵浦源；橢圓形反射腔體；盛裝增益介質(zhì)片和匹配液的腔體和控制匹配液溫度及循環(huán)的帶有液體泵的溫控循環(huán)裝置；泵浦源和腔體分別位于橢圓形反射腔體的兩個(gè)焦點(diǎn)處；增益介質(zhì)片浸于匹配液中并固定于腔體內(nèi)部，增益介質(zhì)片有兩個(gè)面嚴(yán)格平行，兩個(gè)面經(jīng)光學(xué)拋光后作激光通光面，增益介質(zhì)片法線和腔體的軸線成θ角；腔體的兩端對稱地設(shè)置兩個(gè)光學(xué)窗口；腔體側(cè)壁上還對稱地設(shè)置匹配液體進(jìn)口和匹配液體出口；溫控循環(huán)裝置裝于連通匹配液體進(jìn)口和匹配液體出口的連接管道上；激光在腔體內(nèi)的增益介質(zhì)片上不斷被反饋反饋增益，以實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量高功率的反饋增益激光。
文檔編號H01S3/07GK102723657SQ20121020503
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者俆一汀, 宗楠, 彭欽軍, 涂偉, 田昌勇, 許祖彥, 高偉男 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所