本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器。

背景技術(shù)：

DPAL(半導(dǎo)體泵浦堿金屬蒸氣激光器)是一種增益介質(zhì)為蒸氣狀態(tài)堿金屬的新型光泵浦氣體激光器，增益介質(zhì)的溫度通常為100～200℃。DPAL的增益介質(zhì)主要為蒸氣狀態(tài)的鉀、銣或銫，其能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。n是最外層電子所在電子層數(shù)，K、Rb、Cs對(duì)應(yīng)的n分別為4、5、6。nS_1/2為基態(tài)能級(jí)，nP_1/2和nP_3/2為最外層電子自旋-軌道相互作用而劈裂產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)能級(jí)。由基態(tài)至兩上能級(jí)的躍遷分別對(duì)應(yīng)于D1和D2線。

DPAL激光器首先于2003年實(shí)現(xiàn)了堿金屬激光器D1線的激光輸出。DPAL采用對(duì)應(yīng)D2線波長的泵浦源泵浦，具有95％以上的量子效率，且增益介質(zhì)是氣體，熱透鏡效應(yīng)不明顯。因此，DPAL被認(rèn)為是一種有望實(shí)現(xiàn)單口徑MW級(jí)激光輸出的新型激光器。其在高功率輸出方面的潛力也得到了國內(nèi)外眾多高功率激光器研發(fā)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

目前常用的軸向泵浦結(jié)構(gòu)如圖2所示。半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦光，經(jīng)過光束整形之后被聚焦透鏡聚焦，經(jīng)由鍍有對(duì)泵浦光全透、對(duì)發(fā)射激光全反的雙色膜腔鏡進(jìn)入堿金屬激光器諧振腔內(nèi)。泵浦光焦斑位于堿金屬蒸氣室中心位置處。堿金屬蒸氣室中堿金屬原子在泵浦光的泵浦作用下形成增益，在激光諧振腔的諧振放大作用下，產(chǎn)生并輸出激光。此結(jié)構(gòu)有效增益主要形成于焦斑附近位置處，因此不能對(duì)腔模內(nèi)的堿金屬原子進(jìn)行有效利用，大大降低了激光的輸出效率；再者，此結(jié)構(gòu)僅適用于使用單個(gè)半導(dǎo)體激光泵浦模塊進(jìn)行泵浦，難以實(shí)現(xiàn)多泵浦模塊的級(jí)聯(lián)使用，從而難以實(shí)現(xiàn)DPAL的高功率輸出。

另外一種常用泵浦結(jié)構(gòu)為側(cè)面泵浦，常用的泵浦結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光頭四個(gè)側(cè)面分別留有激光窗口和泵浦窗口。使整形后的泵浦光由泵浦光窗口入射，在諧振腔方向輸出激光。此結(jié)構(gòu)很難獲得較好的模式匹配，從而導(dǎo)致激光器光光效率低下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器，用于解決以上技術(shù)問題的至少之一。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器，包括n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源、m個(gè)堿金屬蒸氣室和一諧振腔，該堿金屬激光器還包括n個(gè)轉(zhuǎn)向元件，與n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源一一對(duì)應(yīng)，用于分別改變n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光的傳播方向；不管n個(gè)轉(zhuǎn)向元件如何設(shè)置，n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光在m個(gè)堿金屬蒸氣室中最終為近軸光；其中，n、m為自然數(shù)。

進(jìn)一步地，上述n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件改變傳播方向后，會(huì)聚點(diǎn)分別位于m個(gè)堿金屬蒸氣室內(nèi)的不同位置。

進(jìn)一步地，上述n個(gè)轉(zhuǎn)向元件為偏振分光棱鏡、中心有孔的平面反射鏡、中心有孔的凹面反射鏡和鍍有雙色膜的平面反射鏡的任意組合。

進(jìn)一步地，上述轉(zhuǎn)向元件的主體材料為對(duì)近紅外激光吸收率低于1％、透過率大于98％的材料。

進(jìn)一步地，上述n個(gè)轉(zhuǎn)向元件的位置為位于m個(gè)堿金屬蒸氣室的內(nèi)部、左側(cè)和右側(cè)的任意組合。

進(jìn)一步地，上述堿金屬蒸氣室為1個(gè)，轉(zhuǎn)向元件為3個(gè)，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于堿金屬蒸氣室內(nèi)部，1個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于堿金屬蒸氣室的左側(cè)或右側(cè)。

進(jìn)一步地，上述堿金屬蒸氣室為1個(gè)，轉(zhuǎn)向元件為5個(gè)，該5個(gè)轉(zhuǎn)向元件均位于所述堿金屬蒸氣室內(nèi)。

進(jìn)一步地，上述堿金屬蒸氣室為1個(gè)，轉(zhuǎn)向元件為4個(gè)，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于堿金屬蒸氣室內(nèi)，2個(gè)轉(zhuǎn)向元件分別位于堿金屬蒸氣室的兩側(cè)。

進(jìn)一步地，上述堿金屬蒸汽室為2個(gè)，轉(zhuǎn)向元件為8個(gè)，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于一堿金屬蒸氣室內(nèi)，2個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于另一堿金屬蒸氣室內(nèi)，4個(gè)轉(zhuǎn)向元件分別位于2個(gè)堿金屬蒸氣室的兩側(cè)。

進(jìn)一步地，上述n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源為環(huán)形激光器、Bar條或疊陣激光器。

本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)，可以通過多個(gè)半導(dǎo)體激光泵浦模塊側(cè)面耦合的方式，實(shí)現(xiàn)了泵浦源在縱向方向的疊加和多泵浦模塊的級(jí)聯(lián)使用，從而實(shí)現(xiàn)DPAL的高功率輸出；

2、本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)向元件，使泵浦光成為近軸光，且轉(zhuǎn)換成的近軸光的焦點(diǎn)位置處于堿金屬蒸氣室內(nèi)的不同位置，從而實(shí)現(xiàn)大焦深，充分利用堿金屬蒸氣室內(nèi)的堿金屬蒸氣原子，保證更長的增益長度，實(shí)現(xiàn)更好的模式匹配；

3、本發(fā)明提出的激光器由于采用平面鏡等光束轉(zhuǎn)向元件，與采用鍍雙色膜的耦合入腔方案相比，耦合元件具有很高的抗損傷特性，可應(yīng)用于高功率輸出的場(chǎng)景；

4、本發(fā)明中單個(gè)元件的加工難度低，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

附圖說明

圖1是堿金屬蒸氣激光器的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是典型的軸向泵浦堿金屬蒸氣激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是典型的側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中提出的側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬蒸氣激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中提出的側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬蒸氣激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例3中提出的側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬蒸氣激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例4中提出的側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬蒸氣激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器，包括n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源、m個(gè)堿金屬蒸氣室和一諧振腔，該堿金屬激光器還包括n個(gè)轉(zhuǎn)向元件，與n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源一一對(duì)應(yīng)，用于分別改變n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光的傳播方向；不管n個(gè)轉(zhuǎn)向元件如何設(shè)置，n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光在m個(gè)堿金屬蒸氣室中最終為近軸光；其中，n、m為自然數(shù)。

上述n個(gè)轉(zhuǎn)向元件為偏振分光棱鏡、中心有孔的平面反射鏡、中心有孔的凹面反射鏡和鍍有雙色膜的平面反射鏡的任意組合。

優(yōu)選地，上述轉(zhuǎn)向元件的主體材料為對(duì)近紅外激光吸收率低于1％、透過率大于98％的材料，該主體材料主要應(yīng)用于上述轉(zhuǎn)向元件的反射面。

上述n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件改變傳播方向后，會(huì)聚點(diǎn)分別位于m個(gè)堿金屬蒸氣室內(nèi)的不同位置，目的是保證在m個(gè)堿金屬蒸氣室內(nèi)傳播的泵浦光不會(huì)完全重合，從而保證更長的增益長度，充分利用堿金屬蒸氣室內(nèi)的堿金屬原子，實(shí)現(xiàn)更好的模式匹配。

上述n個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于每個(gè)堿金屬蒸氣室的內(nèi)部、左側(cè)和右側(cè)的任意組合。

優(yōu)選地，上述堿金屬蒸氣室為1個(gè)，轉(zhuǎn)向元件為3個(gè)，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于堿金屬蒸氣室內(nèi)部，1個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于堿金屬蒸氣室的左側(cè)或右側(cè)。

優(yōu)選地，上述堿金屬蒸氣室為1個(gè)，轉(zhuǎn)向元件為5個(gè)，該5個(gè)轉(zhuǎn)向元件均位于堿金屬蒸氣室內(nèi)。

優(yōu)選地，上述堿金屬蒸氣室為1個(gè)，轉(zhuǎn)向元件為4個(gè)，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于堿金屬蒸氣室內(nèi)，2個(gè)轉(zhuǎn)向元件分別位于堿金屬蒸氣室的兩側(cè)。

優(yōu)選地，上述堿金屬蒸汽室為2個(gè)，轉(zhuǎn)向元件為8個(gè)，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于一堿金屬蒸氣室內(nèi)，2個(gè)轉(zhuǎn)向元件位于另一堿金屬蒸汽室內(nèi)，4個(gè)轉(zhuǎn)向元件分別位于2個(gè)堿金屬蒸氣室的兩側(cè)。

優(yōu)選地，上述n個(gè)半導(dǎo)體泵浦源為環(huán)形激光器、Bar條或疊陣激光器。

實(shí)際使用時(shí)，泵浦光由放置在光軸上的轉(zhuǎn)向元件進(jìn)行反射進(jìn)入堿金屬蒸氣室，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向元件的位置及其與光軸的角度，可保證被反射后的泵浦光入射至堿金屬蒸氣室內(nèi)腔模的不同位置，從而保證更長的增益長度，充分利用堿金屬蒸氣室內(nèi)的堿金屬原子，實(shí)現(xiàn)更好的模式匹配。

由于上述結(jié)構(gòu)可采用多個(gè)半導(dǎo)體泵浦源進(jìn)行泵浦，因此可以實(shí)現(xiàn)多泵浦模塊的級(jí)聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)高功率輸出。

為了使半導(dǎo)體泵浦源排布更加緊密，本發(fā)明中的轉(zhuǎn)向元件可在沿光軸放置的同時(shí)使其反射面依次沿光軸旋轉(zhuǎn)一定角度，具體的放置方案需以在保證模式匹配的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最大半導(dǎo)體泵浦源排布為原則。相應(yīng)的，橫向的半導(dǎo)體激光器可在光軸方向呈螺旋形排布，以期獲得更大的增益長度。

以下通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦堿金屬激光器進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

如圖4所示，本實(shí)施例提出一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器，包括3個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1、1個(gè)堿金屬蒸氣室2和諧振腔，還包括3個(gè)轉(zhuǎn)向元件5，3個(gè)轉(zhuǎn)向元件5與3個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1一一對(duì)應(yīng)，用于分別改變3個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光的傳播方向；3個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光在堿金屬蒸氣室2中最終為近軸光。

其中，諧振腔包括一反射鏡3和一輸出耦合鏡4，所述堿金屬蒸氣室2置于反射鏡3和輸出耦合鏡4之間；3個(gè)轉(zhuǎn)向元件5采用中心有孔的全反凹面鏡，其中心孔的直徑大于諧振腔腔模的大小，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件置于堿金屬蒸氣室和輸出耦合鏡之間，1個(gè)轉(zhuǎn)向元件置于堿金屬蒸氣室內(nèi)；3個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1采用環(huán)形半導(dǎo)體激光器，其位置與3個(gè)轉(zhuǎn)向元件一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)3個(gè)轉(zhuǎn)向元件的焦距，調(diào)節(jié)3個(gè)轉(zhuǎn)向元件的位置，以使半導(dǎo)體泵浦源發(fā)射的泵浦光經(jīng)轉(zhuǎn)向元件反射和聚焦后，焦點(diǎn)位于堿金屬蒸氣室內(nèi)腔模的不同位置。

本實(shí)施例中的泵浦光轉(zhuǎn)向元件還可為偏振分光棱鏡(PBS)、中心有孔平面反射鏡等。

實(shí)施例2

如圖5所示，本實(shí)施例提出一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器，包括5個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1、1個(gè)堿金屬蒸氣室2和諧振腔，還包括5個(gè)轉(zhuǎn)向元件5，5個(gè)轉(zhuǎn)向元件5與5個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1一一對(duì)應(yīng)，用于分別改變5個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光的傳播方向；5個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光在堿金屬蒸氣室2中最終為近軸光。

其中，諧振腔包括一反射鏡3和一輸出耦合鏡4，所述堿金屬蒸氣室2置于反射鏡3和輸出耦合鏡4之間；5個(gè)轉(zhuǎn)向元件5采用中心有孔的全反凹面鏡，其中心孔的直徑大于諧振腔腔模的大小，5個(gè)轉(zhuǎn)向元件5置于堿金屬蒸氣室內(nèi)；5個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1采用環(huán)形半導(dǎo)體激光器，其位置與5個(gè)轉(zhuǎn)向元件一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)5個(gè)轉(zhuǎn)向元件的焦距，調(diào)節(jié)5個(gè)轉(zhuǎn)向元件的位置，以使半導(dǎo)體泵浦源發(fā)射的泵浦光經(jīng)轉(zhuǎn)向元件反射和聚焦后，焦點(diǎn)位于堿金屬蒸氣室內(nèi)腔模的不同位置。

本實(shí)施例中的泵浦光轉(zhuǎn)向元件還可為偏振分光棱鏡(PBS)、中心有孔平面反射鏡等。

實(shí)施例3

如圖6所示，本實(shí)施例提出一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器，包括4個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1、1個(gè)堿金屬蒸氣室2和諧振腔，還包括4個(gè)轉(zhuǎn)向元件5，4個(gè)轉(zhuǎn)向元件5與4個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1一一對(duì)應(yīng)，用于分別改變4個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光的傳播方向；4個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光在堿金屬蒸氣室2中最終為近軸光。。

其中，諧振腔包括一反射鏡3和一輸出耦合鏡4，所述堿金屬蒸氣室置于反射鏡3和輸出耦合鏡4之間；4個(gè)轉(zhuǎn)向元件5采用中心有孔的全反凹面鏡，其中心孔的直徑大于諧振腔腔模的大小，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件5置于堿金屬蒸氣室內(nèi)，1個(gè)置于反射鏡和堿金屬蒸氣室之間，另1個(gè)置于輸出耦合鏡和堿金屬蒸氣室之間；4個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1采用環(huán)形半導(dǎo)體激光器，其位置與4個(gè)轉(zhuǎn)向元件一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)4個(gè)轉(zhuǎn)向元件的焦距，調(diào)節(jié)4個(gè)轉(zhuǎn)向元件的位置，以使半導(dǎo)體泵浦源發(fā)射的泵浦光經(jīng)轉(zhuǎn)向元件反射和聚焦后，焦點(diǎn)位于堿金屬蒸氣室內(nèi)腔模的不同位置。

本實(shí)施例中的泵浦光轉(zhuǎn)向元件還可為偏振分光棱鏡(PBS)、中心有孔平面反射鏡等。

實(shí)施例4

如圖7所示，本實(shí)施例提出一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面耦合軸向泵浦的堿金屬激光器，包括8個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1、2個(gè)堿金屬蒸氣室2和諧振腔，還包括8個(gè)轉(zhuǎn)向元件5，8個(gè)轉(zhuǎn)向元件5與8個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1一一對(duì)應(yīng)，用于分別改變8個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光的傳播方向；8個(gè)半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的泵浦光在2個(gè)堿金屬蒸氣室2中最終為近軸光。。

其中，諧振腔包括一反射鏡3和一輸出耦合鏡4，所述2個(gè)蒸氣室置于反射鏡3和輸出耦合鏡4之間；8個(gè)轉(zhuǎn)向元件5采用中心有孔的全反凹面鏡，其中心孔的直徑大于諧振腔腔模的大小，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向元件5置于第一堿金屬蒸氣室與第二堿金屬蒸氣室之間，1個(gè)置于輸出耦合鏡與第二堿金屬蒸氣室之間，另1個(gè)置于反射鏡與第一堿金屬蒸氣室之間；2個(gè)置于第一堿金屬蒸氣室內(nèi)部；2個(gè)置于第二堿金屬蒸氣室內(nèi)部；8個(gè)半導(dǎo)體泵浦源1采用環(huán)形半導(dǎo)體激光器，其位置與8個(gè)轉(zhuǎn)向元件一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)8個(gè)轉(zhuǎn)向元件的焦距，調(diào)節(jié)8個(gè)轉(zhuǎn)向元件的位置，以使半導(dǎo)體泵浦源發(fā)射的泵浦光經(jīng)轉(zhuǎn)向元件反射和聚焦后，焦點(diǎn)位于堿金屬蒸氣室內(nèi)腔模的不同位置，以實(shí)現(xiàn)雙端泵浦。

本實(shí)施例中的泵浦光轉(zhuǎn)向元件還可為偏振分光棱鏡(PBS)、中心有孔平面反射鏡等。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。