專利名稱:一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種激光器,涉及二極管泵浦固體激光器,特別是一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法。
背景技術:
激光二極管固體激光器,主要由泵浦源激光二極管、耦合系統(tǒng)和諧振腔組成。諧振腔是激光器的核心部分,其中激光介質(zhì)是實現(xiàn)將泵浦能量轉(zhuǎn)化成激光能量的樞紐。泵浦源激光二極管對諧振腔內(nèi)的激光介質(zhì)作用,產(chǎn)生激光輸出的過程中,激光介質(zhì)會將部分能量轉(zhuǎn)化成熱能,產(chǎn)生熱效應。激光介質(zhì)的熱效應等同于在諧振腔內(nèi)增加了一個不可控的非理想光學元件,往往造成激光輸出的不穩(wěn)定,影響光束質(zhì)量,降低泵浦光和輸出激光的轉(zhuǎn)換效率。特別是大功率泵浦條件下,嚴重的熱效應將導致泵浦功率無法增加,使得激光器的功率水平難以提高。在這種情況下往往要采用許多復雜的手段對熱效應進行控制,例如采用復雜的水冷系統(tǒng)進行散熱,在諧振腔中引入復雜的光學系統(tǒng)以抵消熱效應的影響,這些大大增加了激光系統(tǒng)的復雜性。調(diào)Q的二極管泵浦固體激光器,通常利用聲光衍射,電光衍射、或某些介質(zhì)的可飽和吸收特點實現(xiàn)諧振腔腔內(nèi)損耗大小的周期性變化。當腔內(nèi)損耗比較大的時候,振蕩光不能起振,激光器沒有激光輸出,泵浦光導致激光介質(zhì)上能級粒子數(shù)積累,實現(xiàn)能量儲存。當腔內(nèi)損耗比較小時,由于閾值降低,振蕩光可迅速起振,激光介質(zhì)中的上能級粒子短時間內(nèi)集中受激躍遷,儲存的能量迅速釋放,形成激光脈沖而輸出。由于增加了調(diào)Q單元,調(diào)Q的二極管泵浦固體激光器在結(jié)構上通常復雜于非調(diào)Q的二極管泵浦固體激光器。熱效應在這種情況下對激光器輸出性能的影響更加明顯,同樣泵浦功率條件下,相應調(diào)Q激光器的散熱結(jié)構和熱效應處理系統(tǒng)比非調(diào)Q激光器更加復雜。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構簡單、輸出效率高、熱效應小的一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的,一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法,包括激光二極管、耦合系統(tǒng)、激光諧振腔,激光諧振腔包括諧振腔反射鏡、激光介質(zhì)、調(diào)Q開關和激光輸出鏡,其特征是:激光介質(zhì)采用柱面結(jié)構,柱面的圓周面固定在介質(zhì)盤內(nèi),柱面的平面面在徑向方向上,LD對激光介質(zhì)既可端面泵浦又可側(cè)面泵浦,LD對激光介質(zhì)進行端面泵浦和側(cè)面泵浦。激光介質(zhì)繞介質(zhì)盤中心軸沿半徑分布,介質(zhì)盤驅(qū)動裝置驅(qū)動介質(zhì)盤轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤中的激光介質(zhì)處在激光諧振腔輸出光的軸線上,激光二極管通過耦合系統(tǒng)將泵浦光射入諧振腔中的激光介質(zhì),使激光介質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而激活,同時,激光器諧振腔和調(diào)Q開關將共同作用,使激光器產(chǎn)生激光的輸出,當激光介質(zhì)被泵浦光照射的時間有比較小的熱效應會影響激光的輸出質(zhì)量時,介質(zhì)盤驅(qū)動裝置驅(qū)動介質(zhì)盤轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤中下一個激光介質(zhì)處在激光諧振腔輸出光的軸線上,激光器諧振腔和調(diào)Q開關重新共同作用,使激光器產(chǎn)生激光的輸出。激光介質(zhì)直徑可在C 1.5-0 3,激光介質(zhì)在介質(zhì)盤同軸分布的數(shù)量根據(jù)需要確定,數(shù)量在10-500之間。介質(zhì)盤驅(qū)動裝置是步進電機,由步進電機輸出軸4帶動介質(zhì)盤轉(zhuǎn)動的時間與腔內(nèi)調(diào)Q元件調(diào)Q的作用時間配合時序是:腔內(nèi)調(diào)Q元件工作周期是tl加t2,t2是激光二極管I通過耦合系統(tǒng)將泵浦光射入諧振腔中的激光介質(zhì),使激光介質(zhì)4實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而積累的時間,此時,腔內(nèi)調(diào)Q元件關閉,tl是腔內(nèi)調(diào)Q元件打開時間,tl = t3+t4,t4 > t3,t3是諧振腔使反轉(zhuǎn)粒子瞬間在腔內(nèi)振蕩輸出高能激光的有效時間,t4處在低能量輸出段,步進電機驅(qū)動電路正好利用t4時間段驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動,由步進電機輸出軸帶動介質(zhì)盤轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤中下一個激光介質(zhì)到位,激光介質(zhì)4中心處在諧振腔光軸上;t4時間結(jié)束后,重新進入下一個周期。步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間可以與腔內(nèi)調(diào)Q元件的工作頻率相同,也可以是腔內(nèi)調(diào)Q元件工作周期的倍數(shù);步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間決定,取決于激光介質(zhì)靜止在諧振腔光軸上產(chǎn)生熱效應的情況。步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次使剛工作的激光介質(zhì)進入一個冷卻緩沖區(qū),在冷卻緩沖區(qū)中剛工作過的激光介質(zhì)產(chǎn)生的熱量能迅速被降溫到理想的溫度。冷卻緩沖區(qū)可以是由夾持在介質(zhì)盤上的半導體致冷器使介質(zhì)盤處在低溫下,也可以是冷風對其作用。本發(fā)明的優(yōu)點是:和傳統(tǒng)二激光泵浦激光器降低熱效應的方法不同,本發(fā)明提出了激光器內(nèi)一組N個介質(zhì)輪流工作的思想。和傳統(tǒng)激光器相比較,這種方法使得每個激光介質(zhì)工作時間有效縮減,減少進入每個介質(zhì)內(nèi)的熱耗,實現(xiàn)了對熱效應的控制。在這種裝置中,介質(zhì)盤中包含一組N個介質(zhì)的激光器所能忍受的熱耗比傳統(tǒng)激光器的極限值大N倍,激光器可以注入的泵浦功率相應增加N倍,輸出能量也將增加N倍。因此,本發(fā)明是實現(xiàn)激光器高能輸出的一個有效方法。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明實施例一結(jié)構示意圖;圖2是圖1中介質(zhì)盤正面示意圖;圖3是本發(fā)明的第二個實施例的構造圖;圖4和圖5給出了驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機,由步進電機輸出軸4帶動介質(zhì)盤5轉(zhuǎn)動的時間與腔內(nèi)調(diào)Q元件7調(diào)Q的作用時間配合時序說明;圖6是本發(fā)明的第三個實施例的構造圖;圖7是本發(fā)明的第四個實施例的構造圖;圖8是本發(fā)明的第五個實施例的構造圖。圖中,1、激光二極管;2、光學耦合裝置;3、諧振腔反射鏡;4、激光介質(zhì);5、介質(zhì)盤;
6、介質(zhì)盤驅(qū)動裝置;7、腔內(nèi)調(diào)Q兀件;8、激光輸出鏡;9、光纖;10、軸套;11、激光介質(zhì)間隔;12、步進電機輸出軸線;13、諧振腔光軸;14、步進電機輸出軸。
具體實施例方式如圖1所示,二極管泵浦固體激光器包括激光二極管1、耦合系統(tǒng)2、激光諧振腔,激光諧振腔包括諧振腔反射鏡3、激光介質(zhì)4、介質(zhì)盤5、介質(zhì)盤驅(qū)動裝置6、調(diào)Q開關7和激光輸出鏡8。參考圖2,介質(zhì)盤5中繞介質(zhì)盤5中心軸分布有多個激光介質(zhì)4,激光介質(zhì)的個數(shù)根據(jù)實際情況和降低熱效應的需要確定,工作時,介質(zhì)盤驅(qū)動裝置6驅(qū)動介質(zhì)盤5轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤5中的激光介質(zhì)4處在激光諧振腔輸出光的軸線上,激光二極管I通過耦合系統(tǒng)2將泵浦光射入諧振腔中的激光介質(zhì)4,使激光介質(zhì)4實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而激活,同時,激光器諧振腔和調(diào)Q開關將共同作用,使激光器產(chǎn)生激光的輸出,當激光介質(zhì)4被泵浦光照射的時間有比較小的熱效應會影響激光的輸出質(zhì)量時,介質(zhì)盤驅(qū)動裝置6驅(qū)動介質(zhì)盤5轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤5中下一個激光介質(zhì)4處在激光諧振腔輸出光的軸線上,激光器諧振腔和調(diào)Q開關重新共同作用,使激光器產(chǎn)生激光的輸出。介質(zhì)盤驅(qū)動裝置6包括步進電機和步進電機驅(qū)動電路,介質(zhì)盤5固定在步進電機的輸出軸上,步進電機的輸出軸與激光諧振腔軸線平行,步進電機在驅(qū)動電路驅(qū)動下,步進電機輸出軸帶動介質(zhì)盤5轉(zhuǎn)動,介質(zhì)盤5中每一個激光介質(zhì)4的中心將通過激光諧振腔軸線。激光介質(zhì)4的中心在激光諧振腔軸線的時間是激光諧振腔在激光二極管I通過耦合系統(tǒng)2將泵浦光射入諧振腔使激光介質(zhì)4實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而激活,同時在腔內(nèi)調(diào)Q元件7作用下激光器諧振腔產(chǎn)生激光輸出最大功率的有效時間,當激光介質(zhì)4產(chǎn)生熱效應影響激光器諧振腔輸出激光功率時,驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動帶動介質(zhì)盤5使介質(zhì)盤5中相鄰的下個激光介質(zhì)4處在激光諧振腔輸出光的軸線上,激光器諧振腔產(chǎn)生激光輸出最大功率的有效時間。如圖2所示,介質(zhì)盤5同軸分布有一周等間隔的激光介質(zhì)4,激光介質(zhì)4直徑可在0 1.5- 3,激光介質(zhì)4的數(shù)量根據(jù)需要確定,數(shù)量在10-500之間。相鄰的激光介質(zhì)4之間的激光介質(zhì)間隔11可相互熱隔離。介質(zhì)盤5中心為軸套10結(jié)構,軸套10通過緊固盤與步進電機輸出軸14固定,使介質(zhì)盤5轉(zhuǎn)動時不會產(chǎn)生振動和偏移。激光介質(zhì)4的數(shù)量最終確定將會參考下面的涉及到的相關內(nèi)容進行說明。如圖3所示,激光 二極管I可以通過光纖9耦合到耦合系統(tǒng)2輸入端面,由耦合系統(tǒng)2將激光二極管I的泵浦光射入諧振腔中的激光介質(zhì)4,使激光介質(zhì)4實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而激活,這種設計有利于整體系統(tǒng)結(jié)構優(yōu)化。但會降低泵浦光能的利用。介質(zhì)盤驅(qū)動裝置6可以是步進電機,圖4和圖5給出了驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機,由步進電機輸出軸4帶動介質(zhì)盤5轉(zhuǎn)動的時間與腔內(nèi)調(diào)Q元件7調(diào)Q的作用時間配合時序說明。腔內(nèi)調(diào)Q元件7工作在4ΚΗζ或IOKHz之間,以IOKHz為例,圖4中tl加t2是一個周期,周期時間是lOOus,而t2是激光二極管I通過耦合系統(tǒng)2將泵浦光射入諧振腔中的激光介質(zhì)4,使激光介質(zhì)4實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而積累的時間,此時,腔內(nèi)調(diào)Q元件7關閉,關閉時間為90us,tl是腔內(nèi)調(diào)Q元件7打開時間,tl為10us。如圖5所示,在tl的IOus的腔內(nèi)調(diào)Q元件7打開時間內(nèi),其中諧振腔使反轉(zhuǎn)粒子瞬間在腔內(nèi)振蕩輸出高能激光的有效時間t3約為10ns,其余大量的時間t4處在低能量輸出段,步進電機驅(qū)動電路正好利用t4時間段驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動,由步進電機輸出軸4帶動介質(zhì)盤5轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤5中下一個激光介質(zhì)4到位,激光介質(zhì)4中心處在諧振腔光軸13上。t4時間結(jié)束后,重新進入下一個周期。步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間可以與腔內(nèi)調(diào)Q元件7的工作頻率相同,也可以是腔內(nèi)調(diào)Q元件7工作周期的倍數(shù)。當腔內(nèi)調(diào)Q元件7的周期是IOOus時,步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間可在IOOus至200ms之間選擇,選擇時間的條件是:只要選定的激光介質(zhì)4靜止在諧振腔光軸13上形成不了影響輸出高能激光能量的熱效應。當上一次工作的激光介質(zhì)4移出后,進入自然冷卻狀態(tài),到下一次進入諧振腔光軸13上重新工作時間與介質(zhì)盤5上放置的激光介質(zhì)4個數(shù)有關,如在介質(zhì)盤5上有10個激光介質(zhì)4,而步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間為200ms,則重新工作的時間間隔為2S。重新工作的時間間隔依據(jù)激光介質(zhì)4的個數(shù)和步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間決定,最終取決于激光介質(zhì)4靜止在諧振腔光軸13上產(chǎn)生熱效應的情況決定?,F(xiàn)有的步進電機轉(zhuǎn)速可設計在1000轉(zhuǎn)/分種,應用在600轉(zhuǎn)/分種較稀穩(wěn)定,如用在600轉(zhuǎn)/分使用,介質(zhì)盤5上分布有100個激光介質(zhì)4才能達到IK的頻率,因此要達到更高的一是提高頻率一是提高步進電機轉(zhuǎn)速,二是增加激光介質(zhì)4的數(shù)量。為了減少介質(zhì)盤5上激光介質(zhì)4數(shù),一是延長步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間,二是使激光介質(zhì)4進入一個冷卻緩沖區(qū),在冷卻緩沖區(qū)中剛工作過的激光介質(zhì)4產(chǎn)生的熱量能迅速被降溫到理想的溫度。冷卻緩沖區(qū)可以是由夾持在介質(zhì)盤5上的半導體致冷器使介質(zhì)盤5處在低溫下,也可以是冷風對其作用。由于激光介質(zhì)4輪換工作,每一個處在諧振腔光軸I 3上激光介質(zhì)4不會由于熱效應的影響使諧振腔的諧振條件發(fā)生變化,因此更高的提高整體激光輸出能量會有多個不同的方案。圖6給出了一種既有端面泵浦又有側(cè)面泵浦的結(jié)構。在這種實施例中激光介質(zhì)4采用柱面結(jié)構,柱面的圓周面固定在介質(zhì)盤5內(nèi),柱面的平面面在徑向方向上。端面泵浦和側(cè)面泵浦可根據(jù)需要輸出的功率要求增加LD (激光二極管)的個數(shù)。本發(fā)明中,取消腔內(nèi)調(diào)Q元件7時,則構成連續(xù)激光二極管泵浦固體激光器,這時步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間是諧振腔諧振輸出連續(xù)輸出激光的時間。如連續(xù)輸出激光200ms,中間有IOus的步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機時間。在這種實施例中,同樣可采用端面泵浦或側(cè)面泵浦,或端面泵浦和側(cè)面泵浦同時作用。如圖7和圖8所
/Jn ο泵浦源采用了光纖耦合LD (激光二極管I),可以省略掉了耦合系統(tǒng)2 (根據(jù)實際情況也可以不省略),光纖耦合LD通常具有比較好的光束質(zhì)量,有利于提高激光器的輸出性能。介質(zhì)的熱效應大小正比于介質(zhì)的熱耗,在這種設計中,若介質(zhì)盤中有N個介質(zhì),理論上介質(zhì)的熱耗只有一個介質(zhì)單獨工作時的1/N,因此介質(zhì)的熱效應將大大降低。通過在諧振腔中加入調(diào)Q元件,該激光器將實現(xiàn)調(diào)Q脈沖輸出。在不加入調(diào)Q元件的情況下,該激光器在泵浦光的控制下,可以實現(xiàn)準連續(xù)工作或脈沖工作。和傳統(tǒng)二激光泵浦激光器降低熱效應的方法不同,本發(fā)明提出了激光器內(nèi)一組N個介質(zhì)輪流工作的思想。和傳統(tǒng)激光器相比較,這種方法使得每個激光介質(zhì)工作時間有效縮減,減少進入每個介質(zhì)內(nèi)的熱耗,實現(xiàn)了對熱效應的控制。在這種裝置中,介質(zhì)盤中包含一組N個介質(zhì)的激光器所能忍受的熱耗比傳統(tǒng)激光器的極限值大N倍,激光器可以注入的泵浦功率相應增加N倍,輸出能量也將增加N倍。因此,本發(fā)明是實現(xiàn)激光器高能輸出的一個有效方法。
權利要求
1.一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法,包括激光二極管、耦合系統(tǒng)、激光諧振腔,激光諧振腔包括諧振腔反射鏡、激光介質(zhì)、調(diào)Q開關和激光輸出鏡,其特征是:激光介質(zhì)采用柱面結(jié)構,柱面的圓周面固定在介質(zhì)盤內(nèi),柱面的平面面在徑向方向上,LD對激光介質(zhì)既可端面泵浦又可側(cè)面泵浦,LD對激光介質(zhì)進行端面泵浦和側(cè)面泵浦。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法,其特征是:激光介質(zhì)繞介質(zhì)盤中心軸沿半徑分布,介質(zhì)盤驅(qū)動裝置驅(qū)動介質(zhì)盤轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤中的激光介質(zhì)處在激光諧振腔輸出光的軸線上,激光二極管通過耦合系統(tǒng)將泵浦光射入諧振腔中的激光介質(zhì),使激光介質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而激活,同時,激光器諧振腔和調(diào)Q開關將共同作用,使激光器產(chǎn)生激光的輸出,當激光介質(zhì)被泵浦光照射的時間有比較小的熱效應會影響激光的輸出質(zhì)量時,介質(zhì)盤驅(qū)動裝置驅(qū)動介質(zhì)盤轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤中下一個激光介質(zhì)處在激光諧振腔輸出光的軸線上,激光器諧振腔和調(diào)Q開關重新共同作用,使激光器產(chǎn)生激光的輸出。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法,其特征是:激光介質(zhì)直徑可在0 1.5- 3,激光介質(zhì)在介質(zhì)盤同軸分布的數(shù)量根據(jù)需要確定,數(shù)量在10-500之間。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法,其特征是:介質(zhì)盤驅(qū)動裝置是步進電機,由步進電機輸出軸4帶動介質(zhì)盤轉(zhuǎn)動的時間與腔內(nèi)調(diào)Q元件調(diào)Q的作用時間配合時序是:腔內(nèi)調(diào)Q元件工作周期是tl加t2,t2是激光二極管I通過耦合系統(tǒng)將泵浦光射入諧振腔中的激光介質(zhì),使激光介質(zhì)4實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而積累的時間,此時,腔內(nèi)調(diào)Q元件關閉,tl是腔內(nèi)調(diào)Q元件打開時間,tl = t3+t4, t4 > t3, t3是諧振腔使反轉(zhuǎn)粒子瞬間在腔內(nèi)振蕩輸出高能激光的有效時間,t4處在低能量輸出段,步進電機驅(qū)動電路正好利用t4時間段驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動,由步進電機輸出軸帶動介質(zhì)盤轉(zhuǎn)動,使介質(zhì)盤中下一個激光介質(zhì)到位,激光介質(zhì)4中心處在諧振腔光軸上;t4時間結(jié)束后,重新進入下一個周期。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法,其特征是:步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間可以與腔內(nèi)調(diào)Q元件的工作頻率相同,也可以是腔內(nèi)調(diào)Q元件工作周期的倍數(shù);步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次的時間決定,取決于激光介質(zhì)靜止在諧振腔光軸上產(chǎn)生熱效應的情況。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法,其特征是:步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一次使剛工作的激光介質(zhì)進入一個冷卻緩沖區(qū),在冷卻緩沖區(qū)中剛工作過的激光介質(zhì)產(chǎn)生的熱量能迅速被降溫到理想的溫度。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法,其特征是:冷卻緩沖區(qū)可以是由夾持在介質(zhì)盤上的半導體致冷器使介質(zhì)盤處在低溫下,也可以是冷風對其作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光器,涉及二極管泵浦固體激光器,特別是一種高能二極管泵浦固體激光器激光介質(zhì)固定方法。包括激光二極管、耦合系統(tǒng)、激光諧振腔,激光諧振腔包括諧振腔反射鏡、激光介質(zhì)、調(diào)Q開關和激光輸出鏡,其特征是激光介質(zhì)采用柱面結(jié)構,柱面的圓周面固定在介質(zhì)盤內(nèi),柱面的平面面在徑向方向上,LD對激光介質(zhì)既可端面泵浦又可側(cè)面泵浦,LD對激光介質(zhì)進行端面泵浦和側(cè)面泵浦。
文檔編號H01S3/06GK103178433SQ201110461820
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月25日 優(yōu)先權日2011年12月25日
發(fā)明者劉珉愷 申請人:西安信唯信息科技有限公司