CN108988108A - 具有v型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,包括:泵浦光源、碱金属蒸气池、温度控制***和激光器谐振腔输出镜;泵浦光源出射泵浦光,泵浦光相对于碱金属蒸气池的轴向方向斜向入射至碱金属蒸气池的前端面;温度控制***贴近碱金属蒸气池的后端面布置,用于使碱金属蒸气池内的温度保持稳定;激光器谐振腔输出镜垂直于碱金属蒸气池轴向方向布置,激光器谐振腔输出镜与碱金属蒸气池后端面组成激光器的谐振腔,激光由激光器谐振腔输出镜输出至谐振腔外。本发明能够实现泵浦光和激光的自然分离,避免了偏振器件带来的腔内传输损耗,并且对泵浦光的偏振特性不再要求,可有效提高DPAL***的整体电光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体泵浦碱金属蒸气激光器领域,涉及一种具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***。
背景技术
半导体激光泵浦碱金属激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Laser,DPAL)是近年来迅速发展的新型高效激光器。它兼有固体激光器和化学激光器的优点,具有量子效率高、热管理性能优良、线宽窄等优点,有望实现高功率高光束质量的近红外激光输出,在激光干扰、激光武器、激光冷却、定向能量传输、材料处理及医疗磁共振成像***等方面有广泛的应用前景。DPAL是一种典型的三能级激光器,其主要增益介质为钾(K)、铷(Rb)和铯(Cs)蒸气。这三种增益介质原子具有相似的能级结构。如图1所示,处于碱金属原子基态E0能级的电子受激吸收泵浦光后跃迁至激发态E2能级,并弛豫至E1能级,当E1能级和E0能级形成粒子数反转后将产生受激辐射光。在此过程中,为加快电子的弛豫速度,通常需要充入一定的小分子烷烃类气体作为缓冲气体,如甲烷,乙烷等。在DPAL中,多普勒展宽后的碱金属原子吸收线宽通常比半导体激光泵浦源的线宽一般比小3-4个数量级,为实现高效率的激光输出,需要解决半导体激光线宽和碱金属原子吸收线宽的不匹配问题。在实际激光器设计中,常常采用以下两种方法:一种是将半导体激光的输出线宽进行压窄;另一种是充入高压强的缓冲气体(氦气或烷烃类气体)通过气体碰撞展宽碱金属原子的吸收线宽。
在DPAL中,增益介质分别采用K、Rb和Cs蒸气时,对应的泵浦光和激光的中心波长差分别为42.2nm,14.7nm和3.4nm。可见泵浦波长和激光波长非常接近,采用常规的镀膜的方法难以将泵浦光和激光分开,因此在端面泵浦的DPAL中,目前通常利用偏振分光棱镜(Polarization Beam Splitter,PBS)实现两种激光的偏振分离。但采用偏振分光的方法会带来两方面的问题,一方面偏振元器件的***不可避免的会增加谐振腔的传输损耗,影响激光器的输出效率;另一方面,采用偏振分光时要求泵浦光为线偏振光,而常规的半导体泵浦光并不是完全的线偏振光,在将其转换为线偏振光的过程中会存在一定的能量损失,这将最终影响到DPAL***的电光效率。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是:针对现有技术存在的不足之处,提供一种具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,在这种V型泵浦的DPAL中,泵浦光传输方向和激光输出方向不在同一光轴上,在激光的传播方向上排除泵浦光的干扰,从而避免使用PBS,并且对泵浦光不再有线偏振特性的要求。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其包括:泵浦光源1、碱金属蒸气池3、温度控制***4和激光器谐振腔输出镜5;泵浦光源1出射泵浦光,泵浦光相对于碱金属蒸气池3的轴向方向斜向入射至碱金属蒸气池3的前端面;温度控制***4贴近碱金属蒸气池3的后端面布置,用于使碱金属蒸气池3内的温度保持稳定;激光器谐振腔输出镜5垂直于碱金属蒸气池轴向方向布置,激光器谐振腔输出镜5与碱金属蒸气池3后端面组成激光器的谐振腔,激光由激光器谐振腔输出镜5输出至谐振腔外,实现激光和泵浦光在传播方向上不同轴,在空间上自然分离。
其中,还包括:光束匀化准直***2,包括透镜和导光管,实现泵浦光在入射进碱金属蒸气池3前进行强度匀化处理。
其中,所述碱金属蒸气池3内充有增益介质和缓冲气体。
其中,所述增益介质为碱金属蒸气介质;缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷,或者为上述气体的混合气体。
其中,所述增益介质在碱金属蒸气池3的轴向方向的厚度在1厘米以下。
其中,所述碱金属蒸气池前端面镀有包含泵浦光和激光的增透膜,后端面镀有包含泵浦光和激光的全反膜。
其中,所述温度控制***4包括热能转换器和对应的控制电路。
其中,所述温度控制***4和碱金属蒸气池3之间设置有传热用热沉。
其中,所述泵浦光源1选用半导体激光器。
其中,所述泵浦光源1可设置多个,发射多束泵浦光束,从不同路线进行V型泵浦。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,相比于传统端面泵浦DPAL,能在不***偏振器件的条件下,实现泵浦光和激光的自然分离,避免了偏振器件带来的腔内传输损耗,并且对泵浦光的偏振特性不再要求,可有效提高DPAL***的整体电光效率。同时采用大面、平面的温控方式,碱金属蒸气池内的温度梯度小,利于激光***的稳定输出;本发明还可应用于高功率半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器。
附图说明
图1是碱金属原子的能级结构示意图。
图2是具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***的侧面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。为了解决端面泵浦DPAL中泵浦光和激光难以分离的问题,本发明提供了一种具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,参照图2所示,为了便于说明,仅示出了与本发明的结构实施例相关的部分。
本实施例具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***包括:泵浦光源1、光束匀化准直***2、碱金属蒸气池3、温度控制***4和激光器谐振腔输出镜5。
泵浦光源1可选用半导体激光器,泵浦光经过光束匀化准直***2后,相对碱金属蒸气池3轴向方向斜入射充有增益介质和缓冲气体的碱金属蒸气池3内。碱金属蒸气池3的增益介质在轴向方向的厚度很小,通常在1厘米以下,以加快轴向方向的热传递。碱金属蒸气池3内的增益介质为碱金属蒸气介质,缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷等气体,或者为上述气体的混合气体。泵浦光被碱金属蒸气池3的增益介质吸收以后达到蒸气池3的后端面(泵浦反射面),后端面镀有包含泵浦光和激光的全反膜,可改变泵浦光的传播方向将其反射出碱金属蒸气池3外。在泵浦光反射出碱金属蒸气池3的过程中,剩余的泵浦光被增益介质再次吸收,以提高整体的泵浦吸收速率。碱金属蒸气池前端面(泵浦入射面)镀有包含泵浦光和激光的增透膜,以增加透过率。
温度控制***4贴近碱金属蒸气池3的后端面布置,温度控制***4可采用热能转换器(TEC)及相应的控制电路进行精确的温度控制,工作时通过TEC对碱金属蒸气池3加热或降温的方式使碱金属蒸气池3内气体的温度保持稳定。其中,温度控制***4和碱金属蒸气池3之间还可添加高效传热的热沉,以提高温控效率。这种平面、大面积的温控方式还可以加快轴向方向的热传递,减小碱金属蒸气池轴向方向的温度梯度分布。
激光器谐振腔输出镜5垂直于碱金属蒸气池轴向方向布置,激光器谐振腔输出镜5与镀有全反膜的碱金属蒸气池3后端面共同组成激光器的谐振腔,碱金属激光由激光器谐振腔输出镜5输出至谐振腔外,这样可以保证激光和泵浦光在传播方向上不同轴,因而两者在空间上可以自然分离。
其中,光束匀化准直***2包括透镜和导光管,实现泵浦光在入射进蒸气池前进行强度匀化处理。
上述技术方案可以总结以下特点:1)泵浦光入射蒸气池内,入射方向与蒸气池轴向方向有一定夹角,使得泵浦光与激光不再同轴,在空间上自然分离;2)泵浦光被蒸气池内的增益介质吸收后,被蒸气池后端面反射出蒸气池,入射与反射的泵浦光加一起呈V型形状。在泵浦光反射过程中,剩余的泵浦能量会被增益介质二次吸收,以增加激光器泵浦吸收速率;3)泵浦光束可以为多束,从不同路线进行V型泵浦;4)激光出射方向与蒸气池轴向方向相同,这样可实现泵浦光和激光在空间上的自然分离;5)蒸气池轴向方向长度较短,以保证泵浦光和激光良好的模式匹配;6)碱金属蒸气温度控制***紧贴蒸气池后端面,采用平面、大面积的温控方式加快轴向方向的热传递,减小蒸气池轴向方向的温度梯度分布。
本实施例中,采用端面温控的方式对碱金属蒸气池3进行加热。目前DPAL普遍对蒸气池侧表面进行温控,而蒸气池侧面为圆柱型表面,对蒸气池加热时几乎都采用环形加热器,并且加热表面距离蒸气池中心有一定距离,因而蒸气池径向方向存在一定的温度梯度。而本发明采用对蒸气池端面进行温度控制,温控表面为平面,可以使用TEC进行高效温控,温控面积大,并且可对蒸气池中心位置直接温控,更为直接,径向方向温度梯度很小。
由上述技术方案可以看出,本发明具有以下显著优势:
(1)本发明采用V型泵浦结构,可使泵浦光路与激光光路分离,可以解决长期以来端面泵浦DPAL***中泵浦光和激光光束不易分离的技术难题。
(2)碱金属蒸气温度控制***贴近碱金属蒸气池后端面,可采用平面、大面积的温控方式,结构简单、温控效果好。温度控制相对管腔而言属于大面积温控,可使得碱金属管腔内增益介质温度分布更加均匀、精准。可实现对管腔径向方向进行均匀加热或冷却,有利于减小管腔内径向方向的温度梯度分布。
(3)蒸气池轴向方向长度短,在端面控温的情况下,蒸气池内轴向方向的温度梯度较小,易于保证DPAL的输出稳定性。
(4)本发明根据具体使用需求,可以灵活的采用不同实施方案,构建V型或其他形式激光谐振腔以获得大模体积或基模输出、对多个碱金属管腔串接以获得更高的输出功率。
(5)泵浦光强在空间上可进行匀化,以实现增益介质在轴向方向对泵浦的均匀吸收,同时可减小蒸气池径向方向的温度梯度分布。
(6)提高碱金属蒸气激光器的输出稳定性和输出光束质量,可应用于高功率半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,包括:泵浦光源(1)、碱金属蒸气池(3)、温度控制***(4)和激光器谐振腔输出镜(5);泵浦光源(1)出射泵浦光,泵浦光相对于碱金属蒸气池(3)的轴向方向斜向入射至碱金属蒸气池(3)的前端面;温度控制***(4)贴近碱金属蒸气池(3)的后端面布置,用于使碱金属蒸气池(3)内的温度保持稳定;激光器谐振腔输出镜(5)垂直于碱金属蒸气池轴向方向布置,激光器谐振腔输出镜(5)与碱金属蒸气池(3)后端面组成激光器的谐振腔,激光由激光器谐振腔输出镜(5)输出至谐振腔外,实现激光和泵浦光在传播方向上不同轴,在空间上自然分离。
2.如权利要求1所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,还包括:光束匀化准直***(2),包括透镜和导光管,实现泵浦光在入射进碱金属蒸气池(3)前进行强度匀化处理。
3.如权利要求1所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,所述碱金属蒸气池(3)内充有增益介质和缓冲气体。
4.如权利要求3所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,所述增益介质为碱金属蒸气介质;缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷,或者为上述气体的混合气体。
5.如权利要求4所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,所述增益介质在碱金属蒸气池(3)的轴向方向的厚度在1厘米以下。
6.如权利要求3所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,所述碱金属蒸气池前端面镀有包含泵浦光和激光的增透膜,后端面镀有包含泵浦光和激光的全反膜。
7.如权利要求1所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,所述温度控制***(4)包括热能转换器和对应的控制电路。
8.如权利要求1所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,所述温度控制***(4)和碱金属蒸气池(3)之间设置有传热用热沉。
9.如权利要求1所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,所述泵浦光源(1)选用半导体激光器。
10.如权利要求1所述的具有V型泵浦结构的半导体激光泵浦碱金属激光器***,其特征在于,所述泵浦光源(1)可设置多个,发射多束泵浦光束,从不同路线进行V型泵浦。
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