專利名稱：激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用特殊增益介質(zhì)的高能激光器。
背景技術(shù)：
目前，隨著高能激光器在國(guó)防和工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，對(duì)獲得大能量激光輸出的探索越來越受到研究人員的重視。傳統(tǒng)的激光器包括增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔三個(gè)部分。其中，泵浦源為增益介質(zhì)提供能量使其激發(fā)到高能態(tài)，諧振腔則提供正反饋和耦合輸出，使受激輻射不斷放大并產(chǎn)生激光輸出。實(shí)際影響激光器向大功率發(fā)展的因素有泵浦源的能量以及增益介質(zhì)的特性。現(xiàn)有的高能激光器包括化學(xué)激光器和固態(tài)激光器，而固態(tài)激光器中又包含了傳統(tǒng)的固體激光器和光纖激光器。一般情況下，高能激光器要解決好三個(gè)方面的問題首先是產(chǎn)熱少，這樣既能提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率又減輕了系統(tǒng)在熱管理上的負(fù)擔(dān)；其次是散熱快，這是保證激光器系統(tǒng)穩(wěn)定工作的一個(gè)重要前提，很多高能固體激光器正是由于散熱問題得不到很好地解決而被限制了發(fā)展；最后是模體積大，只有擁有大的模體積才能確保激光器獲得足夠的增益，光纖激光器的不足就是在保證較好光束質(zhì)量的前提下很難獲得大的模場(chǎng)體積。化學(xué)激光器和固態(tài)激光器是最早實(shí)現(xiàn)百千瓦量級(jí)功率輸出的高能激光器。化學(xué)激光器是把化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能作為泵浦源，可以實(shí)現(xiàn)高功率、高能量的輸出。化學(xué)激光器雖然容易實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出，散熱也比較容易，但是由于需要化學(xué)反應(yīng)室、負(fù)壓產(chǎn)生裝置以及廢氣處理設(shè)備，這使其存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、增益介質(zhì)不可重復(fù)利用、有的甚至含有有毒氣體等缺點(diǎn)，使得化學(xué)激光器在工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用一直受到限制。半導(dǎo)體泵浦的固體激光器是很有潛力的高能激光器，其泵浦源是半導(dǎo)體激光器，泵浦效率高、可靠性好，但是在大功率情況下，固體激光器增益介質(zhì)的熱管理是比較復(fù)雜的。單塊增益介質(zhì)的棒式固體激光器雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、緊湊，但是在大功率的情況下，嚴(yán)重的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其輸出光束發(fā)散或者畸變，造成光束質(zhì)量下降，這也限制了固體激光器的高功率應(yīng)用。傳統(tǒng)的固體激光器為了解決散熱問題，通常是把增益介質(zhì)做薄、做細(xì)，或者采用分塊級(jí)聯(lián)等方式，這些技術(shù)為高能激光器的發(fā)展提供了很好的思路也取得了一定的進(jìn)展，不過與現(xiàn)實(shí)需求仍存在一定差距。板條式激光器、薄片式激光器和熱容激光技術(shù)的出現(xiàn)，雖然改善了固體激光器的熱管理，降低了熱效應(yīng)對(duì)激光器的影響，但這使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，同時(shí)帶來了很多技術(shù)上的其他問題。板條激光器采用的是長(zhǎng)方體的增益介質(zhì)，因此具有三組對(duì)稱面，主要可以有面泵浦、邊泵浦和端面泵浦三種泵浦方式，另外近年來也有人提出角泵浦的工作方式。面泵浦的特點(diǎn)是泵浦面積大，可以注入高功率的泵浦光，但是由于冷卻面與泵浦面重合，泵浦光經(jīng)過冷卻介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的吸收和散射，同時(shí)冷卻介質(zhì)容易污染泵浦面，降低泵浦效率。邊泵浦具有較高的泵浦效率，同時(shí)泵浦面與冷卻面分離，但是邊泵浦存在較嚴(yán)重的熱光效應(yīng)，而且泵浦面相對(duì)較小，難以注入高功率的泵浦光。端面泵浦方式與傳統(tǒng)的棒式激光器相同，令泵浦光從晶體的端面入射，但其仍然存在熱透鏡效應(yīng)，而且要求泵浦光要進(jìn)行整形，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)都變得更復(fù)雜。角泵浦可以使泵浦光在晶體介質(zhì)中多次通過，以達(dá)到均勻泵浦的目的，但是泵浦的面積小，而且在大功率下對(duì)鍍膜的要求也比較高。板條激光器工作時(shí)通常是讓激光在介質(zhì)中呈“之”字形傳播，以補(bǔ)償厚度方向上由于熱梯度引起的熱畸變，但這對(duì)兩個(gè)板條反射面的平行度、光潔度的加工提出很高的要求，同時(shí)機(jī)械的裝配和安裝也比較復(fù)雜。薄片式激光器的介質(zhì)棒的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于其直徑，具有大的口徑/厚度比。薄片式激光器采用的是面泵浦，面冷卻的工作方式，因此其溫度梯度方向平行于光軸，由此引起的折射率變化與徑向無關(guān)，所以光束沿光軸傳輸時(shí)在徑向上幾乎沒有相移，在大功率情況下具有較好的光束質(zhì)量，同時(shí)熱透鏡效應(yīng)也可以忽略。其缺點(diǎn)是，光學(xué)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，元器件較多，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響，另外在大功率條件下，要求在很小的面積內(nèi)將幾千瓦的熱量帶走，這給散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了難度。熱容激光器這種工作方式最早是由美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的。原來的固體激光器散熱是與激光器運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行的，而固體熱容激光器的運(yùn)行與散熱是分開的，即激光器在無冷卻的情況下先運(yùn)行，利用固體激光介質(zhì)的熱容存儲(chǔ)廢熱，當(dāng)激光器停止工作時(shí)再對(duì)介質(zhì)進(jìn)行冷卻。這樣避免了介質(zhì)冷卻表面和內(nèi)部產(chǎn)生顯著的溫度梯度，減小了折射率梯度和熱應(yīng)力，從而有利于提高光束質(zhì)量，同時(shí)具有向大功率發(fā)展的潛力。但是正是由于熱容激光器這種運(yùn)行與散熱交替進(jìn)行的工作方式，要求激光連續(xù)工作的時(shí)間不能過長(zhǎng)。另外對(duì)介質(zhì)來說，要有較大的熱容，以保證足夠長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間；要具有良好的力學(xué)特性，能承受較大的應(yīng)力；溫度對(duì)介質(zhì)光譜特性的影響在一定范圍內(nèi)也應(yīng)該保持穩(wěn)定。繼化學(xué)激光器和傳統(tǒng)的固體激光器之后，光纖激光器為實(shí)現(xiàn)激光的高功率輸出提供新的選擇。光纖激光器不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且其較高的“表面積/體積”比，使光纖激光器散熱效果較好。半導(dǎo)體激光器泵浦的摻鐿光纖激光器更是由于量子效率高、熱負(fù)載小、可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜和高泵浦吸收等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而備受青睞。近年來隨著大模場(chǎng)面積雙包層光纖的問世、高亮度激光二極管泵浦技術(shù)和同帶泵浦技術(shù)的發(fā)展，摻鐿光纖激光器的輸出功率不斷提升，目前已經(jīng)邁入萬瓦級(jí)的行列。然而，由于熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)、光學(xué)損傷等因素的影響和限制，理論計(jì)算表明，單根摻鐿光纖的單模極限輸出功率僅為36. 6kW。近年來，半導(dǎo)體泵浦的堿金屬激光器(diode-pumped alkali lasers, DPAL)越來越受到人們的關(guān)注，其工作原理是把堿金屬制作成蒸汽與其它緩沖氣體(如氦氣等惰性氣體，乙烷等小分子氣體)混合，利用窄帶的半導(dǎo)體激光器對(duì)其進(jìn)行泵浦。因此DPAL具有氣體激光器良好的熱管理特性，以及半導(dǎo)體激光器高功率、高效率的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于堿金屬原子來說又具有很高的量子效率。因此其結(jié)合了氣體激光器和固體激光器的優(yōu)點(diǎn)，而且又克服了它們各自的缺點(diǎn)。但是由于所使用增益介質(zhì)的能級(jí)特點(diǎn)，決定了 DPAL在如何實(shí)現(xiàn)有效的泵浦、泵浦方式的選擇以及如何加快2p1/2和2P3/2能級(jí)間的非輻射弛豫等問題上存在困難。由上可見，現(xiàn)有的高能激光器和高能激光技術(shù)有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但還存在諸多需要克服和解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決化學(xué)激光器燃料不可循環(huán)使用、體積龐大等問題，同時(shí)克服固體激光器熱效應(yīng)嚴(yán)重、單根光纖激光器難以實(shí)現(xiàn)百千瓦級(jí)輸出等缺陷，以及為了避免出現(xiàn)DPAL實(shí)現(xiàn)有效泵浦十分復(fù)雜的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、產(chǎn)熱少、散熱快、模體積大、環(huán)境污染少、增益介質(zhì)可重復(fù)利用的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，所述流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器包括泵浦激光器、氣體工作室和諧振腔， 所述氣體工作室中填充有可被所述泵浦激光器發(fā)出的泵浦光激發(fā)至高能態(tài)的增益介質(zhì)，所述增益介質(zhì)主要為包含稀土離子的納米顆粒；所述氣體工作室通過連接管道連通至一循環(huán)控制裝置。上述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器中，所述增益介質(zhì)優(yōu)選主要為量子效率比較高(如離子的量子效率理論上可以超過90%)的稀土離子氧化物、含稀土離子晶體(例如％:YAG納米粉末、％203納米粉末)或者含稀土離子陶瓷(例如％:Y203陶瓷)的納米顆粒。更優(yōu)選的，所述稀土離子氧化物純度為99. 9%以上，所述含稀土離子晶體或者陶瓷的納米顆粒的摻雜濃度為15atm. % IOOatm. %。上述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器中，所述納米顆粒的平均粒徑為 Inm 500nm。增益介質(zhì)顆粒尺寸均勻性要好，以保證較小的散射和較高的光束質(zhì)量。上述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器中，所述稀土離子在近紅外波段優(yōu)選或Nd3+。上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，使用納米顆粒的主要目的是減少粒子對(duì)激光的散射損耗。例如，折射率為1.92、半徑為50nm的球形顆粒，對(duì)于1030nm光波的散射截面為 4. 19 X IO-13Cm2,雖然納米顆粒容易發(fā)生團(tuán)簇使得顆粒尺寸變大，增加散射損耗，但是在一定功率密度的泵浦光照射下團(tuán)簇的顆粒會(huì)分散開，因此只要選擇好恰當(dāng)?shù)念w粒尺寸并保持合適的濃度就可以使系統(tǒng)的散射損耗較小。而稀土氧化物或者高摻雜則是為了增加納米顆粒的吸收，其中其它雜質(zhì)(如Tm3+，Er3+，Ho3+等)的離子應(yīng)盡量少，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)所需波長(zhǎng)和稀土離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，靈活選用^3+、Nd3+等稀土離子。上述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器中，所述循環(huán)控制裝置優(yōu)選主要由相互連接的循環(huán)氣泵和流量閥組成。本發(fā)明通過設(shè)置由循環(huán)控制裝置、連接管路及氣體工作室組成的氣體循環(huán)系統(tǒng)，使納米顆粒按照合適的濃度填充于所述的氣體工作室內(nèi)，并循環(huán)工作。通過采用循環(huán)氣泵和流量閥的結(jié)合方式，可實(shí)現(xiàn)納米顆粒流量的有效控制并使其循環(huán)工作。工作時(shí)根據(jù)所需要的納米顆粒濃度與整個(gè)氣體循環(huán)系統(tǒng)的體積，利用以下公式(1)即可算出需要添加的納米顆粒質(zhì)量m。
權(quán)利要求
1.一種激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，所述流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器包括泵浦激光器G)、氣體工作室( 和諧振腔，所述氣體工作室(3)中填充有可被所述泵浦激光器(4)發(fā)出的泵浦光( 激發(fā)至高能態(tài)的增益介質(zhì)(6)，其特征在于所述增益介質(zhì) (6)主要為包含稀土離子的納米顆粒；所述氣體工作室(3)通過連接管道(11)連通至一循環(huán)控制裝置(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，其特征在于所述增益介質(zhì)(6)主要為量子效率比較高的稀土離子氧化物、含稀土離子晶體或者含稀土離子陶瓷的納米顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，其特征在于所述稀土離子氧化物純度在99. 9%以上，所述含稀土離子晶體或者陶瓷的納米顆粒的摻雜濃度為 15atm. % IOOatm. %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，其特征在于所述納米顆粒的平均粒徑為Inm 500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，其特征在于所述稀土離子在近紅外波段為或Nd3+。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，其特征在于所述泵浦激光器(4)發(fā)出的泵浦光( 是從所述氣體工作室(3)的側(cè)面直接對(duì)所述增益介質(zhì)(6)進(jìn)行泵浦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，其特征在于所述泵浦激光器(4)發(fā)出的泵浦光(5)是從所述氣體工作室(3)的端面經(jīng)耦合鏡系統(tǒng) (14)和諧振腔組成鏡面后對(duì)所述增益介質(zhì)(6)進(jìn)行泵浦。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，其特征在于所述循環(huán)控制裝置(10)主要由相互連接的循環(huán)氣泵(1 和流量閥(16)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，其特征在于所述連接管道(11)上還設(shè)有防團(tuán)簇控制裝置(12)，所述防團(tuán)簇控制裝置(1 包括固定于連接管道(11)上的玻璃窗口(19)和用于輻照玻璃窗口(19)內(nèi)團(tuán)簇顆粒的防團(tuán)簇激光器(17)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光泵浦的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器，流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器包括泵浦激光器(4)、氣體工作室(3)和諧振腔，氣體工作室(3)中填充有可被泵浦激光器(4)發(fā)出的泵浦光(5)激發(fā)至高能態(tài)的增益介質(zhì)(6)，增益介質(zhì)(6)主要為包含稀土離子的納米顆粒；氣體工作室(3)通過連接管道(11)連通至一循環(huán)控制裝置(10)。本發(fā)明的流動(dòng)納米顆粒稀土離子激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、產(chǎn)熱少、散熱快、模體積大、環(huán)境污染少、增益介質(zhì)可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B82Y20/00GK102570283SQ20121000715
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者習(xí)鋒杰, 張漢偉, 楊子寧, 王紅巖, 許曉軍 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)