CN113889828B - 一种高功率液体冷却脉冲固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高功率液冷固体脉冲激光器，包括后腔镜，起偏器，阶梯形激光窗口，泵浦源，阶梯形泵浦窗口，输出耦合镜，可饱和吸收体和激光增益介质。本发明通过将板条晶体并联的方式来提高输出激光的功率，同时在板条晶体高度方向上采用共焦非稳腔结构提高光束质量，使用可饱和吸收体对输出激光进行脉冲化调制，使输出激光同时具有较高的平均功率和较高的峰值功率；并具有激光腔结构紧凑、加工简单的优点。
Description
技术领域
本发明属于固体激光设备技术领域，具体涉及一种高功率液体冷却脉冲固体激光器。
背景技术
固体激光器相较于其他类型的激光器具有性能稳定、体积小、成本低等优势，在工业生产、科学研究、军事上都具有重要的应用。然而，传统的固体激光器一般通过腔外激光合束或是增大激光增益介质口径的方式来提高输出功率。对于腔外激光合束方式而言，整个激光***的体积和复杂程度都会变大，从而限制了激光器的实用性。对于增大激光增益介质口径方式而言，大的光束面积会使高阶模起振从而致使输出激光光束质量变差。因此，提供一种高平均功率、高峰值功率、高光束质量的固体激光器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明通过将板条晶体并联的方式来提高输出激光的功率，使输出激光不会因为光束面积扩大而导致光束质量恶化，板条晶体之间通过液体对流冷却。同时，在板条晶体高度方向上采用共焦非稳腔结构提高光束质量，使用可饱和吸收体对输出激光进行脉冲化调制，使输出激光同时具有较高的平均功率和较高的峰值功率。
本发明采用的技术手段如下：
一种液体冷却脉冲固体激光器，沿激光射入方向依次设置有后腔镜1，起偏器2，阶梯形激光窗口Ⅰ3，可饱和吸收体Ⅰ8，激光增益介质9，可饱和吸收体Ⅱ13，阶梯形激光窗口Ⅱ6和输出耦合镜7；激光增益介质9为板条晶体，在板条晶体厚度方向上采用多块板条晶体单元并联的结构；激光增益介质9在沿宽度方向上的两侧分别设置有阶梯形泵浦窗口Ⅰ5和阶梯形泵浦窗口Ⅱ11；在阶梯形泵浦窗口Ⅰ5远离激光增益介质9的一侧设置有泵浦源Ⅰ4，在阶梯形泵浦窗口Ⅱ11远离激光增益介质9的一侧设置有泵浦源Ⅱ10；
板条晶体单元两侧为激光增益介质冷却流体场12；可饱和吸收体Ⅰ8两侧与可饱和吸收体Ⅱ13两侧均为可饱和吸收体冷却流体场14；激光增益介质冷却流体场12与可饱和吸收体冷却流体场14采用液体对流冷却；
激光增益介质冷却流体场12与可饱和吸收体冷却流体场14通过四氟板15相隔，四氟板15固定于激光器外壳体上，激光增益介质9穿过四氟板15；泵浦光交替通过激光增益介质9和激光增益介质冷却流体场12，激光光束在板条晶体中传播，而不通过激光增益介质冷却流体场12。激光增益介质冷却流体场12内的冷却液流速可以很高，即使形成湍流也不会影响光束质量，输出激光光束是多个板条晶体单元在厚度方向上的非相干合束。
进一步地，后腔镜1为柱面平凹镜，输出耦合镜7为柱面弯月镜，后腔镜1和输出耦合镜7在板条晶体高度方向上具有曲率，在板条晶体厚度方向上没有曲率，曲率大小可以根据具体的腔型设计调整，不同腔型曲率不同。
进一步地，后腔镜1靠近起偏器2的一侧镀有相关激光波长的反射膜，输出耦合镜7靠近阶梯形激光窗口Ⅱ6的一侧在板条晶体高度方向上镀有一维高斯变反射率膜。
进一步地，板条晶体为板条形的Nd:YAG晶体、Yb:YAG晶体、Nd:YLF晶体中的一种。
进一步地，板条晶体单元厚度为1-3毫米。
进一步地，激光增益介质冷却流体场12厚度小于1毫米。
进一步地，可饱和吸收体Ⅰ8与可饱和吸收体Ⅱ13为Cr4+:YAG陶瓷、V3+:YAG陶瓷中的一种。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明中在板条晶体厚度方向上，采用多块板条晶体单元并联的结构，可以通过增加并联板条晶体单元数量的方法来提高激光器的输出功率。由于板条晶体单元之间的间隙非常小，输出的近场光场为很多间隙很小的长条形光斑的组合，远场则为均匀矩形光斑，其输出光场相当于传统板条激光器的非相干合束。
2、本发明中采用可饱和吸收体进行脉冲化调制，并对可饱和吸收体两个大面进行液体对流冷却，以保证其散热，使其不会因为产生大量的热而影响光束质量。
3、本发明中输出激光光束不经过激光增益介质冷却流体场，可以不用保证激光增益介质冷却流场为层流，因此流场的速度可以很高，保证充分散热，可以在增加输出功率的情况下不增加激光腔内损耗和影响光束质量。
4、本发明中将激光增益介质冷却流体场与可饱和吸收体冷却流体场分离，激光光束只通过可饱和吸收体的冷却流体场，激光光束只通过四个流体层，流道宽度非常小；而且可饱和吸收体上面产生的热量比较少，只需要很小的流速就可以将热量散去，因此可以保证可饱和吸收体冷却流场为层流，使激光光束质量不会因为通过液体流场而恶化。
5、本发明中采用柱面镜作为激光腔镜，在板条晶体高度方向上形成虚共焦非稳腔结构，在板条晶体厚度方向上形成平平腔结构，后腔镜镀有相关激光波长的反射膜，输出耦合镜在板条晶体高度方向上镀有一维的高斯膜，使输出光束在此方向上空间分布是均匀的平顶光束。由于板条晶体单元厚度较小，一般在2毫米左右，因此虽然在厚度方向上采用平平腔结构，但一般只有低阶模可以起振。因此输出激光光束在两个方向上都具有较高的光束质量。
附图说明
附图1为本发明涉及的一种高功率液体冷却脉冲固体激光器结构俯视图。
附图2为本发明涉及的一种高功率液体冷却脉冲固体激光器结构正视图。
图中：1—后腔镜，2—起偏器，3—阶梯形激光窗口Ⅰ，4—泵浦源Ⅰ，5—阶梯形泵浦窗口Ⅰ，6—阶梯形激光窗口Ⅱ，7—输出耦合镜，8—可饱和吸收体Ⅰ，9—激光增益介质，10—泵浦源Ⅱ，11—阶梯形泵浦窗口Ⅱ，12—激光增益介质冷却流体场，13—可饱和吸收体Ⅱ，14—可饱和吸收体冷却流体场，15—四氟板。
具体实施方式
实施例所采用的晶体、陶瓷均采购于福晶科技股份有限公司。
实施例中所述厚度方向为Y轴方向，宽度方向为X轴方向，高度方向为Z轴方向。
实施例1
激光增益介质采用Nd:YAG晶体，可饱和吸收体采用Cr4+:YAG陶瓷，冷却液采用重水，由于陶瓷尺寸理论上讲可以做到很大，不会像晶体一样因为尺寸的增加而导致掺杂离子浓度的不均匀，因此采用Cr4+:YAG陶瓷作为可饱和吸收体，可以通过增加并联增益介质数量和饱和吸收体的尺寸来增加激光输出功率，激光增益介质冷却液和可饱和吸收体冷却液均采用重水，重水对相应激光波长和泵浦光波长的吸收系数很小，可以减小谐振腔内的损耗，本发明中激光器可以输出高平均功率、高峰值功率、高光束质量的1064nm脉冲激光，并且可以通过增加并联的Nd:YAG晶体数量增加输出的1064nm脉冲激光的平均功率。
实施例2
激光增益介质采用Nd:YAG晶体，可饱和吸收体采用V3+:YAG陶瓷，冷却液采用重水，本发明中激光器可以输出高平均功率、高峰值功率、高光束质量的1.3um脉冲激光，并且可以通过增加并联的Nd:YAG晶体数量增加输出的1.3um脉冲激光的平均功率。
实施例3
激光增益介质采用Yb:YAG晶体，可饱和吸收体采用Cr4+:YAG陶瓷，冷却液采用重水，Yb:YAG晶体采用940nm或是976nm泵浦源进行泵浦，输出激光波长为1030nm，相较于Nd:YAG晶体具有更高的量子效率，激光晶体上产生的热量更小，有更高的光光转换效率，本发明中激光器可以输出高平均功率、高峰值功率、高光束质量的1030nm脉冲激光，并且可以通过增加并联的Yb:YAG晶体数量增加输出的1030nm脉冲激光的平均功率。
实施例4
激光增益介质采用Nd:YLF晶体，可饱和吸收体采用Cr4+:YAG陶瓷，冷却液采用四氯化碳，四氯化碳液体与Nd:YLF晶体折射率相近，对于泵浦波长和激光波长在Nd:YAG晶体上的界面损耗都可以忽略不计，而且四氯化碳液体对于1047nm激光的吸收系数很小，因此腔内损耗很小，本发明中激光器可以输出高平均功率、高峰值功率、高光束质量的1047nm脉冲激光，并且可以通过增加并联的Nd:YLF晶体数量增加输出的1047nm脉冲激光的平均功率。
实施例5
激光增益介质采用Nd:YAG晶体或是Yb:YAG晶体，可饱和吸收体采用Cr4+:YAG陶瓷，冷却液采用普通的去离子水。虽然普通的去离子水对于1030nm和1064nm激光波长有一部分吸收，导致激光谐振腔内损耗增加，然而激光光束只需通过两端可饱和吸收体两侧的流体层，而且可饱和吸收体产生的热量很小，激光光束通过的流体层厚度一般很小，因此使用普通去离子水作为冷却液时，因为吸收带来的损耗也相应的很小，最重要的是普通去离子水比较容易获得、价格低廉，相比而言重水价格昂贵，四氯化碳具有毒性，本发明中激光器可以输出高平均功率、高峰值功率、高光束质量的1064nm或是1030nm脉冲激光，并且可以通过增加并联激光晶体数量的方式增加输出的1064nm或是1030nm脉冲激光的平均功率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种液体冷却脉冲固体激光器，其特征在于：所述激光器沿激光射入方向依次设置有后腔镜(1)，起偏器(2)，阶梯形激光窗口Ⅰ(3)，可饱和吸收体Ⅰ(8)，激光增益介质(9)，可饱和吸收体Ⅱ(13)，阶梯形激光窗口Ⅱ(6)和输出耦合镜(7)；所述激光增益介质(9)为板条晶体，在板条晶体厚度方向上采用多块板条晶体单元并联的结构；所述激光增益介质(9)在沿宽度方向上的两侧分别设置有阶梯形泵浦窗口Ⅰ(5)和阶梯形泵浦窗口Ⅱ(11)；在所述阶梯形泵浦窗口Ⅰ(5)远离激光增益介质(9)的一侧设置有泵浦源Ⅰ(4)，在所述阶梯形泵浦窗口Ⅱ(11)远离激光增益介质(9)的一侧设置有泵浦源Ⅱ(10)；
每块板条晶体单元两侧为激光增益介质冷却流体场(12)；所述可饱和吸收体Ⅰ(8)两侧与可饱和吸收体Ⅱ(13)两侧均为可饱和吸收体冷却流体场(14)；所述激光增益介质冷却流体场(12)与可饱和吸收体冷却流体场(14)采用液体对流冷却；
所述激光增益介质冷却流体场(12)与可饱和吸收体冷却流体场(14)通过四氟板(15)相隔，所述激光增益介质(9)穿过四氟板(15)；泵浦光交替通过激光增益介质(9)和激光增益介质冷却流体场(12)；激光光束在板条晶体中传播，不通过激光增益介质冷却流体场(12)。
2.根据权利要求1所述的液体冷却脉冲固体激光器，其特征在于：所述后腔镜(1)为柱面平凹镜，输出耦合镜(7)为柱面弯月镜，所述后腔镜(1)和输出耦合镜(7)在板条晶体高度方向上具有曲率，在板条晶体厚度方向上没有曲率。
3.根据权利要求1或2所述的液体冷却脉冲固体激光器，其特征在于：所述后腔镜(1)靠近起偏器(2)的一侧镀有激光反射膜，所述输出耦合镜(7)靠近阶梯形激光窗口Ⅱ(6)的一侧在板条晶体高度方向上镀有一维的高斯变反射率膜。
4.根据权利要求1所述的液体冷却脉冲固体激光器，其特征在于：所述板条晶体为板条形的Nd:YAG晶体、Yb:YAG晶体、Nd:YLF晶体中的一种。
5.根据权利要求1所述的液体冷却脉冲固体激光器，其特征在于：所述板条晶体单元厚度为1-3毫米。
6.根据权利要求1所述的液体冷却脉冲固体激光器，其特征在于：所述激光增益介质冷却流体场(12)厚度小于1毫米。
7.根据权利要求1所述的液体冷却脉冲固体激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体Ⅰ(8)与可饱和吸收体Ⅱ(13)为Cr4+:YAG陶瓷、V3+:YAG陶瓷中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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