CN201868728U

CN201868728U - 碱金属蒸汽激光器

Info

Publication number: CN201868728U
Application number: CN2010205773732U
Authority: CN
Inventors: 黄振国
Original assignee: ADVANCED FIBER RESOURCES (ZHUHAI) Ltd
Current assignee: ADVANCED FIBER RESOURCES (ZHUHAI) Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2020-10-26

Abstract

本实用新型提供一种碱金属蒸汽激光器，包括蒸汽盒，其具有一个容纳碱金属蒸汽的腔体，蒸汽盒的周壁外设有向腔体发射泵浦光的泵浦光发生器，其中，蒸汽盒的第一轴向端外设有用于反射激光束的第一全反镜，蒸汽盒的第二轴向端外设有用于反射激光束的第二全反镜，且第一轴向端外设有光学元件，该光学元件出射的激光束高于第一全反镜的上端，且光学元件出射的激光束与第二全反镜之间形成的夹角为锐角。本实用新型提供的碱金属蒸汽激光器能减少泵浦光能量的浪费，提高碱金属蒸汽激光器的输出激光束的功率。

Description

碱金属蒸汽激光器

技术领域

本实用新型涉及一种激光器，具体地，是一种对碱金属蒸汽原子激发形成激光的碱金属蒸汽激光器。

背景技术

金属蒸汽激光器作为一种可靠的高功率激光器，曾经广泛应用在多个领域，如铜、金、铅等金属蒸汽激光器曾被广泛应用在同位素分离、飞秒脉冲产生及医疗等领域。但这些金属蒸汽发生器存在工作温度高、使用操作不方便、效率较低等缺陷，逐渐被固体激光器及光纤激光器所取代。

但高功率固体激光器及光纤激光器存在热透镜效应，高功率激光束通过激光介质时，由于热透镜效应，激光模式严重退化，导致激光束无法紧密聚焦、远距离传送过程中容易发散、超高功率使用受限等缺陷，人们转而开始研发新型的高效率的无热透镜效应的碱金属蒸汽激光器。

如US6643311号美国专利公开了一种二极管泵浦的使用锂、钠、钾、铷、铯等碱金属蒸汽作为媒质的碱金属蒸汽激光器，该激光器利用二极管泵浦光对碱金属蒸汽原子进行激发产生激光，其激发原理如图1所示。

图1示出一个三能级的激光产生***，碱金属原子中的电子未受到激发时处于基态²S_1/2，即位于E0能级上。当碱金属原子的电子受到发光二极管发出的泵浦光激发时，即从基态跃进至第二激发态²P_3/2上，即位于E2能级上。由于E0能级与E2能级之间的距离为D2，因此这一过程称为D2跃进。

随后，处于E2能级上的电子由于寿命极短，将迅速地无辐射跃迁至第一激发态²P_1/2上，即位于E1能级上，并从第一激发态²P_1/2产生激光跃迁至基态²S_1/2，即返回E0能级上。E1能级与E0能级之间的距离为D1，因此电子从E1能级跃进至E0能级的过程称为D1跃进。在D1跃进过程中，碱金属原子的电子释放出能量，从而形成激光。

所有的碱金属蒸汽均具有类似的能级结构，第一激发态与第二激发态之间的能量差是一种能量损失，被称为量子能量缺陷，而D1线与D2线之间的能量差很小，这就是碱金属蒸汽激光器效率高的原因。表1列出了几种碱金属蒸汽的D1跃进与D2跃进的波长及量子能量缺陷。

碱金属	D2（nm）	D1（nm）	ΔE（cm^-1）	ΔE/E2
					铯	852.1	894.3	554.1	4.7％
铷	780.0	794.8	237.5	1.85％
					钾	770.1	766.9	57.7	0.44％
钠	589.2	589.8	17.2	0.10％
					锂	670.0	670.1	0.3	0.002％

表1

应用该原理，人们研发出碱金属蒸汽激光器，现有的一种碱金属蒸汽激光器的局部原理图如图2所示。该激光器具有一个蒸汽盒10，其设有一个腔体11，腔体内充满碱金属蒸汽，用于产生激光。在蒸汽盒10的两个轴向端外分别设有一个光束分离元件13、15，每一光束分离元件13、15均设有一片与腔体11的轴线成45°角的薄膜14、16。薄膜14、16用于对光束选择性地反射或透射，即让泵浦光P1反射，而让激光L1透射。通过选择制造薄膜14、16的材料可实现上述功能。或者，薄膜14、16也可对光束的偏振态进行选择，只要让泵浦光P1与激光L1的偏振态相互垂直，即可实现泵浦光P1与激光L1的分离。

泵浦光发生器（图2中未示）位于光束分离元件13、15外，向光束分离元件13、15发出泵浦光P1。泵浦光P1入射至薄膜14、16后发生反射，并入射至腔体11内，激发碱金属原子发出激光L1。

在光束分离元件13的外侧设有用于反射激光L1的全反镜17，在光束分离元件15外设有输出镜18，形成在蒸汽盒10内的激光L1经过全反镜17的反射后返回蒸汽盒10内，并经输出镜18出射，形成所需的激光束。

碱金属蒸汽激光器具有工作温度低，效率高等优点具有被广泛应用的巨大前景。但上述的碱金属蒸汽激光器的泵浦光和激光束在蒸汽盒的轴向上重叠，限制了高功率的泵浦光的注入。

因此，人们研发出如图3所示的另一种横向泵浦的碱金属蒸汽激光器。该激光器也具有蒸汽盒20，蒸汽盒20具有一个充满碱金属蒸汽的腔体21，蒸汽盒20的两个轴向端外分别设有一个全反镜24以及一个输出镜25。在蒸汽盒20的周壁外设有作为泵浦光发生器的发光二极管阵列（图3中未示），发出与腔体21轴线垂直的多束泵浦光P2。在二极管阵列与蒸汽盒20之间设有一个与蒸汽盒20轴线平行的聚焦透镜23，泵浦光P2经过聚焦透镜23后入射至腔体21内，从而激发碱金属原子形成激光L2。

激光L2经过全反镜24的反射后返回腔体21内，并经输出镜25出射，形成所需的激光束。

上述碱金属蒸汽激光器工作温度大多在100℃左右，此温度下碱金属蒸汽的密度在1～10×10¹³/cm³，因此高功率泵浦光的能量完全被碱金属蒸汽吸收的路程为5～10cm。但激光L2的半径通常只有0.5～1.0mm，泵浦光的能量无法被激光L2完全吸收，造成泵浦光能量的浪费，导致输出激光束的功率不高。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种泵浦光能量被充分吸收的碱金属蒸汽激光器。

本实用新型的另一目的是提供一种激光束输出功率较高的碱金属蒸汽激光器。

为实现上述的主要目的，本实用新型提供的碱金属蒸汽激光器包括蒸汽盒，其具有一个容纳碱金属蒸汽的腔体，蒸汽盒的周壁外设有向腔体发射泵浦光的泵浦光发生器，其中，蒸汽盒的第一轴向端外设有用于反射激光束的第一全反镜，蒸汽盒的第二轴向端外设有用于反射激光束的第二全反镜，且第一轴向端外设有光学元件，该光学元件出射的激光束高于第一全反镜的上端，且光学元件出射的激光束与第二全反镜之间形成的夹角为锐角。

由上述方案可见，碱金属蒸汽受泵浦光激发形成的激光入射至光学元件后反射至腔体内，并入射至第二全反镜上。由于激光束与第二全反镜之间形成的夹角为锐角，因此激光束不会沿入射光路反射，而是以锐角的角度出射，并入射至第一全反镜上，以此不断在第一全反镜及第二全反镜之间来回反射。。

这样，每一次反射的激光束均可吸收泵浦光的能量，即泵浦光的能量能被在空间上相互分离的多束激光束吸收。可见，泵浦光的能量得到充分吸收，避免泵浦光能量的浪费，也提高碱金属蒸汽激光器输出激光束的功率。

一个优选的方案是，第一全反镜与第二全反镜平行设置，且两全反镜均垂直于蒸汽盒的轴线。这样的结构有利于激光束在腔体内多次反射，且所有激光束的入射角度及出射角度均相同，便于控制输出激光束的方向，也简化碱金属蒸汽激光器的结构。

进一步的方案是，该光学元件为用于反射激光束的第三全反镜，且第二全反镜的下方设有与第三全反镜平行的输出镜。

由此可见，形成于腔体内的激光束经过第三全反镜的反射后返回腔体内，并经第二全反镜反射，形成在第一全反镜及第二全反镜之间来回反射的激光束，激光束最后经过输出镜输出。这样，该激光器为一个激光发生器，且激光发生器可发出高功率的激光束。

另一个优选的方案是，光学元件为种子光源发生器。这样，种子光源发生器发出的种子光源经过激光器后，充分吸收泵浦光的能量，输出高功率的激光束，该激光器即形成一个激光放大器，可用于放大激光束的功率，是一种MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）结构，成为高功率激光放大器。

进一步的方案是，泵浦光发生器包括发光二极管阵列，发光二极管阵列与蒸汽盒之间设有聚焦透镜，碱金属蒸汽激光器还包括与聚焦透镜平行设置的用于反射泵浦光的第四全反镜，其位于蒸汽盒周壁外与聚焦透镜相反的另一侧。

由此可见，发光二极管发出的泵浦光经过蒸汽盒后，可入射至第四全反镜中，并经第四全反镜的反射再次入射至蒸汽盒，对蒸汽盒内的碱金属原子激发。这样，可有效利用泵浦光的能量，提高输出激光束的功率。

附图说明

图1是碱金属原子的电子受激发形成激光的原理示意图。

图2是现有的一种碱金属蒸汽激光器的局部结构原理图。

图3是现有另外的一种碱金属蒸汽激光器的局部结构原理图。

图4是本实用新型第一实施例的局部结构原理图。

图5是本实用新型第二实施例的局部结构原理图。

图6是本实用新型第三实施例的局部结构原理图。

图7是本实用新型第四实施例的结构原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

第一实施例。

参见图4，本实施例具有一个蒸汽盒30，蒸汽盒30具有一个腔体31，腔体31内充满碱金属蒸汽。在蒸汽盒30的一个周壁外设有作为泵浦光发生器的发光二极管阵列（图4中未示），用于向蒸汽盒30发出泵浦光P3，泵浦光P3以垂直于蒸汽盒30轴线的方向入射至腔体31内。

在蒸汽盒30的一个轴向端外设有第一全反镜32，另一个轴向端外设有第二全反镜33。本实施例中，第一全反镜32及第二全反镜33均用于反射碱金属原子受泵浦光激发形成的激光L3，并且第一全反镜32与第二全反镜33均垂直于腔体31的轴线垂直，即第一全反镜32与第二全反镜33相互平行。

在第一全反镜32的上方设有作为光学元件的第三全反镜34，第三全反镜34与第一全反镜32并非平行设置，两者之间具有一个角度较小的夹角，也就是第三全反镜34与蒸汽盒20的轴线不垂直设置，而是有一个倾角。并且，第三全反镜34位于蒸汽盒30的轴向端外，且与第一全反镜32位于蒸汽盒30同一侧的轴向端外。

腔体31内的碱金属原子受到泵浦光P3的激发后形成激光束，激光束入射至第三全反镜34后反射回腔体31内，并入射至第二全反镜33上。由图4可见，从第三全反镜34出射的激光束高于第一全反镜32的上端，并且该出射的激光束与第二全反镜33之间形成的夹角α为锐角，即激光束不是垂直地入射至第二全反镜33中。这样，第二全反镜33反射的激光束也不是垂直地出射，其出射角为锐角。

从第二全反镜33出射的激光束不会沿原入射光路反射，即从第二全反镜33出射的反射光束与入射光束不会重叠，两束激光束之间存在一定的距离。从第二全反镜33出射的激光束入射至第一全反镜32后，再次形成反射光束并入射至第二全反镜33，以此不断在第一全反镜32与第二全反镜33之间来回反射。

在第二全反镜33的下方设有输出镜35，输出镜35与第三全反镜34平行设置。经过第一全反镜31反射的一束激光束L3经过输出镜35出射，形成所需的激光束。

由于在腔体31内的多束激光束并不相互重叠，泵浦光的能量可被多束激光束吸收，充分利用泵浦光的能量，提高输出激光束的功率。

同时，改变第三全反镜34的倾斜角度，即改变从第三全反镜34出射激光束的角度，可改变激光束在腔体31内反射次数。最大的反射次数可由激光束的直径d和腔体31垂直方向的宽度W决定，若激光束在第一全反镜32、第二全反镜33上的光斑不重叠，则最大反射次数n为

（式1）

例如，激光束之间d为1mm，腔体31轴向的宽度W为10mm，则最大反射次数n为19次。

由于泵浦二极管的线宽通常都远大于E2能级的宽度，为了增大碱金属原子对泵浦光能量的吸收，在腔体31中填充惰性气体，如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等，或者填充氢气、氮气、乙烷等简单分子气体，利用碰撞加宽来增大E2能级的宽度，使得碱金属原子充分吸收泵浦光的能量。

第二实施例。

参见图5，本实施例具有蒸汽盒50，蒸汽盒50具有一个充满碱金属蒸汽的腔体51，且蒸汽盒50的周壁外设有作为泵浦光发生器的发光二极管阵列（图5中未示），用于向腔体51垂直的出射泵浦光P5。

蒸汽盒50的一个轴向端外设有第一全反镜52，另一个轴向端外设有第二全反镜53，第一全反镜52及第二全反镜53均用于发射激光束，且均与蒸汽盒50的轴线垂直设置。

在第一全反镜52的上方设有作为种子光源发生器（图5中未示），用于向蒸汽盒50发射一束功率较小的激光束L5，激光束L5高于第一全反镜52的上端，且从种子光源发生器出射的激光束L5与第二全反镜53之间形成的夹角也为锐角。

与第一实施例相同的是，激光束L5入射到第二全反镜53后，反射光束不会沿原入射光路出射，反射光束的发射角为一锐角，即入射光束与出射光束不重叠。并且，激光束在第一全反镜52与第二全反镜53之间来回反射，并经腔体51的侧壁出射，形成出射的激光束L6。

由于激光束在腔体51内吸收泵浦光P5的能量，因此出射的激光束L6能量远高于入射激光束L5的能量，因此本实施例的激光器为激光放大器。

由上述方案可见，泵浦光P5的能量可被腔体51内的激光束充分吸收，从而大大提高出射激光束L6的功率。

第三实施例。

参见图6，本实施例具有蒸汽盒60，蒸汽盒60具有充满碱金属蒸汽的腔体61。蒸汽盒60的周壁外设有发光二极管阵列（图6中未示），用于向腔体61出射泵浦光P6。发光二极管阵列与蒸汽盒60之间设有聚焦透镜62。蒸汽盒60的两个轴向端外分别设有第一全反镜64及第二全反镜65，两块全反镜均用于反射激光束，且均与蒸汽盒60的轴线垂直。

第一全反镜64的上方设有第三全反镜66，第二全反镜65的下方设有输出镜67，从第三全反镜66出射的激光束L7与第二全反镜65之间形成的夹角θ为锐角。激光束L7经第二全反镜65反射后形成的反射光束以锐角的入射角入射至第一全反镜64，并以此不断在第一全反镜64与第二全反镜65之间来回反射，直至从输出镜67中出射。

与第一实施例不同，本实施例还设有用于反射泵浦光P6的第四全反镜63，其位于蒸汽盒60周壁外与聚焦透镜62相反的一侧。这样，泵浦光P6入射并经过腔体61后，入射至第四全反镜63中，泵浦光P6经第四全反镜63的反射再次入射至腔体61，再次激发腔体61内的碱金属原子。

可见，泵浦光P6经第四全反镜63反射后再入射至腔体61，泵浦光的能量可被腔体61内的激光束充分吸收，从而提高泵浦光P6能量的吸收率，减少泵浦光P6能量的浪费。

第四实施例。

参见图7，本实施例具有蒸汽盒70，蒸汽盒70具有一个充满碱金属蒸汽的腔体71，在蒸汽盒70的两个轴向端外分别设有第一全反镜72及第二全反镜73，两块全反镜均与蒸汽盒70的轴线垂直设置，并用于反射激光束。

第一全反镜72的上方设有第三全反镜76，第二全反镜73的下方设有输出镜77，从第三全反镜76输出的激光束L8与第二全反镜73之间形成的夹角γ为锐角。与第一实施例相同，激光束将在第一全反镜72与第二全反镜73之间来回反射，且所有激光束互不重叠。

在蒸汽盒70的上侧的周壁外设有泵浦光发生器78，其发出的泵浦光P8与蒸汽盒70的轴线AX之间形成的夹角δ为锐角。对应地，蒸汽盒70的下侧周壁外设有泵浦光发生器79，其发出的泵浦光P9与蒸汽盒70轴线AX之间的夹角也为δ，即为一个锐角。

蒸汽盒70上侧周壁外设有用于反射泵浦光P8、P9的第五全反镜74，下侧周壁外设有用于反射泵浦光P8、P9的第五全反镜75。第四和第五全反镜74、75平行于蒸汽盒70轴线AX设置，因此泵浦光P8与第五全反镜75之间形成的夹角φ为锐角，泵浦光P9与第五全反镜74之间形成的夹角也为φ，即也是锐角。这样，泵浦光P8、P9在两块第五全反镜74、75之间来回反射，且所有的泵浦光互不重叠。

这样，腔体71内的泵浦光P8、P9能量可充分被碱金属原子所吸收，减少泵浦光P8、P9能量的浪费，也提高输出激光束的功率。

上述实施例仅是本实用新型较佳的实施方案，实际应用时还可以有更多的变化，例如，第一全反镜及第二全反镜均与蒸汽盒轴线倾斜设置；或者，发光二极管阵列发出的泵浦光倾斜地入射等，这些改变同样可以实现本实用新型的目的。

最后需要强调的是，本实用新型不限于上述实施方式，如全反镜倾斜角度的改变、泵浦光发生器类型的改变等变化也应该包括在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims

1.碱金属蒸汽激光器，包括

蒸汽盒，具有一个容纳碱金属蒸汽的腔体；

泵浦光发生器，位于所述蒸汽盒的周壁外并向所述腔体发射泵浦光；

其特征在于：

所述蒸汽盒的第一轴向端外设有用于反射激光束的第一全反镜，所述蒸汽盒的第二轴向端外设有用于反射激光束的第二全反镜；

所述第一轴向端外设有光学元件，所述光学元件出射的激光束高于所述第一全反镜的上端，且所述光学元件出射的激光束与所述第二全反镜之间形成的夹角为锐角。

2.根据权利要求1所述的碱金属蒸汽激光器，其特征在于：

所述第一全反镜与所述第二全反镜平行设置。

3.根据权利要求2所述的碱金属蒸汽激光器，其特征在于：

所述第一全反镜及所述第二全反镜均与所述腔体的轴线垂直设置。

4.根据权利要求1至3任一项所述的碱金属蒸汽激光器，其特征在于：

所述光学元件为用于反射激光束的第三全反镜；

所述第二全反镜的下方设有与所述第三全反镜平行的输出镜。

5.根据权利要求1至3任一项所述的碱金属蒸汽激光器，其特征在于：

所述光学元件为种子光源发生器。

6.根据权利要求1至3任一项所述的碱金属蒸汽激光器，其特征在于：

所述泵浦光发生器包括发光二极管阵列，所述发光二极管阵列与所述蒸汽盒之间设有聚焦透镜。

7.根据权利要求6所述的碱金属蒸汽激光器，其特征在于：

所述碱金属蒸汽激光器还包括与所述聚焦透镜平行设置的用于反射所述泵浦光的第四全反镜，所述第四全反镜位于所述蒸汽盒周壁外与所述聚焦透镜相反的另一侧。

8.根据权利要求1至3任一项所述的碱金属蒸汽激光器，其特征在于：

所述泵浦光发生器出射的泵浦光与所述腔体的轴线形成的夹角为锐角；

所述蒸汽盒的周壁外设有两块平行设置的用于反射所述泵浦光的第五全反镜，所述泵浦光与所述第五全反镜之间形成的夹角为锐角。