一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)及其方法。增益系統(tǒng)包括發(fā)射臺架,固定于發(fā)射臺架底部的泵浦源、擴(kuò)束鏡、柱面鏡、多頭旋轉(zhuǎn)盤。通過特殊設(shè)計的大面積側(cè)面泵浦方式、不摻雜的外層基質(zhì)包裹,制冷裝置對固體染料降溫,以及多頭旋轉(zhuǎn)盤的特殊設(shè)計,使得固體染料增益介質(zhì)在大能量高重頻泵浦下能夠保持高壽命,并得到較為理想的光束質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大能量增益系統(tǒng),具體為一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]585nm波段處于血紅蛋白的吸收峰,該波段脈沖激光選擇性作用于血紅蛋白,其已成為治療微靜脈畸形、毛細(xì)血管擴(kuò)張癥等血管性疾病的首選方法。染料激光具有可調(diào)諧范圍寬的優(yōu)點(diǎn),使用不同的染料可以很容易覆蓋從紫外到紅外的波段,因此大能量的585nm激光輸出一般采用激光染料作為增益介質(zhì)。早期的染料激光器均使用液態(tài)染料,其具有輸出的激光光束質(zhì)量好,染料溶液便于冷卻,從而可以大能量高重頻運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但是液態(tài)染料激光器也有很大的缺陷:液態(tài)染料對人體有毒且易燃;循環(huán)冷卻系統(tǒng)很大,且設(shè)計復(fù)雜;摻雜在溶液中的染料在激光作用下易退化降解,降低了壽命,且定期更換染料溶液、清洗循環(huán)系統(tǒng),使用和維護(hù)成本較高。
[0003]將染料摻雜進(jìn)固體基質(zhì)中,較好的克服了液態(tài)染料的上述缺點(diǎn),這樣的固態(tài)染料激光器具有全固化、小型化、無毒、成本和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),具有很強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)化潛力。然而現(xiàn)有的固體染料激光器都是采用簡單的端面泵浦結(jié)構(gòu),仍然存在一定的不足:1.在大能量高重頻運(yùn)轉(zhuǎn)方式下,染料分子長時間存在的瞬態(tài)吸收逐漸建立,從而逐漸降低激光器輸出效率,縮短固體染料壽命;2.簡單泵浦方式固體染料受光面積不夠大,對大泵浦能量,泵浦光能量密度很高,影響固體激光染料的壽命;3.大能量泵浦下固體染料中的熱累積,導(dǎo)致激光器效率降低,光束質(zhì)量下降,壽命縮短。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是設(shè)計一種大能量固體染料激光器。
[0005]為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),包括激光發(fā)射源、光學(xué)系統(tǒng)和染料激光增益系統(tǒng),其中激光發(fā)射源包括發(fā)射臺架,固定于發(fā)射臺架底部的泵浦源,所述泵浦源發(fā)出的532nm激光束經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)均勻照射在染料激光增益系統(tǒng)上,所述染料激光增益系統(tǒng)包括多頭旋轉(zhuǎn)盤,多頭旋轉(zhuǎn)盤上固定安裝有至少一個旋轉(zhuǎn)頭,增益介質(zhì)內(nèi)嵌于所述旋轉(zhuǎn)頭上,且可隨多頭旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行選擇和固定。所述光學(xué)系統(tǒng)包括45°全反鏡、擴(kuò)束鏡和柱面鏡,所述柱面鏡由平凹柱面鏡和平凸柱面鏡組成,所述泵浦源發(fā)出的光束經(jīng)由45°全反鏡反射進(jìn)入擴(kuò)束鏡后,依次經(jīng)過平凹柱面鏡和平凸柱面鏡,所述光學(xué)系統(tǒng)的輸出光束均勻照射在所述增益介質(zhì)側(cè)面。
[0006]所述多頭旋轉(zhuǎn)盤可進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)并固定,來調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)頭的固定位置,內(nèi)嵌于旋轉(zhuǎn)頭的增益介質(zhì)分為兩層,內(nèi)層為摻雜有激光染料的固體染料基質(zhì),外層為沒有摻雜的純固體染料基質(zhì),所述基質(zhì)為溶膠凝膠玻璃,所述激光染料為Rhodamine 6G,PM597或者perylene orange染料中的任意一種。[0007]所述染料激光增益系統(tǒng)還包括一 0°全反鏡和一輸出鏡,所述0°全反鏡和輸出鏡組成諧振腔,在諧振腔內(nèi)置所述增益介質(zhì),0°全反鏡和輸出鏡分別位于增益介質(zhì)兩側(cè),由泵浦源輸出的激光束依次經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的45°全反鏡、擴(kuò)束鏡、柱面鏡,進(jìn)入所述諧振腔內(nèi),打在增益介質(zhì)上,利用增益介質(zhì)的大面積的側(cè)面對進(jìn)入諧振腔內(nèi)的光束進(jìn)行增益和轉(zhuǎn)換,并由所述輸出鏡輸出。
[0008]所述染料激光增益系統(tǒng)還包括制冷裝置,所述制冷裝置位于所述多頭旋轉(zhuǎn)盤上的旋轉(zhuǎn)頭的底部,且可隨所述旋轉(zhuǎn)頭更換使用,所述增益介質(zhì)的側(cè)面與所述制冷裝置通過接合部件緊密連接。所述制冷裝置采用TE制冷裝置或磁制冷裝置中的任意一種。所述接合部件具有大的剪切彈性模數(shù),具體地說,所述接合部件由導(dǎo)熱硅膠等金屬類接合材料或環(huán)氧樹脂等具有剛性的材料構(gòu)成。
[0009]所述用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)進(jìn)行增益的方法如下:
在發(fā)射臺架底部固定好泵浦源,選擇使用的旋轉(zhuǎn)頭,調(diào)整多頭旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)頭在染料激光增益系統(tǒng)中的位置,使內(nèi)嵌于其上的增益介質(zhì)固定在諧振腔內(nèi);
調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的位置,保證泵浦源發(fā)出的光束經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)均勻照射在所述增益介質(zhì)側(cè)面,由工作人員手動調(diào)節(jié)發(fā)射臺架的固定位置,使光束經(jīng)過45°全反鏡反射后水平入射,經(jīng)諧振腔的輸出鏡垂直輸出;
啟動制冷裝置至規(guī)定溫度,由溫度檢測探頭采集并記錄增益介質(zhì)工作時溫度的變化,在大能量泵浦源下的固體染料中的熱積累影響到輸出光束的質(zhì)量時,由報警器發(fā)出警報,告知工作人員,由工作人員旋轉(zhuǎn)多頭旋轉(zhuǎn)盤,選擇備用旋轉(zhuǎn)頭,并調(diào)整內(nèi)嵌于其上的增益介質(zhì)固定在諧振腔內(nèi) 繼續(xù)工作。
[0010]所述增益介質(zhì)與制冷裝置緊密連接的側(cè)面鍍有532nm波段反射率大于99%的介質(zhì)膜,另一側(cè)面鍍有532nm波段透射率大于99%的介質(zhì)膜。
[0011]所述的用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)的制作方法如下:
第一步,制作外層,將形成溶膠了的無染料摻雜的基質(zhì)放入A異型杯中,其中,A異型杯為凹型結(jié)構(gòu);
第二步,放入40° C恒溫箱中縮聚形成凝膠,干燥10-14天,形成素坯;
第三步,將素坯取出,放入托盤內(nèi);
第四步,制作內(nèi)層,將另外制作的形成溶膠了的摻雜有激光染料的基質(zhì)小心填充素坯的凹槽內(nèi);
第五步,再次放入恒溫箱中縮聚形成凝膠,在40° (T80° C的環(huán)境下經(jīng)干燥30-60天; 第六步,取出,分割;
第七步,機(jī)械加工、拋光。
[0012]所述A異型杯設(shè)有一外壁和一內(nèi)壁,外壁由外圓筒壁和平壁一體化形成中心對稱結(jié)構(gòu),外壁和內(nèi)壁的底部用連接件連接在一體,內(nèi)壁與外圓筒壁同軸、等高,且內(nèi)壁和外壁之間設(shè)有間隙,以形成增益介質(zhì)的外層,所述內(nèi)壁、外壁和連接件采用聚四氟乙烯材料一體成型制作。
[0013]所述平壁與內(nèi)壁的距離大于1mm,所述A異型杯高15~25cm,可一次制作至少5枚素坯。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有的固體染料激光器相比,其有益效果在于:通過特殊設(shè)計的大面積側(cè)面泵浦方式、不摻雜的外層基質(zhì)包裹,制冷裝置對固體染料降溫,以及多頭旋轉(zhuǎn)盤的特殊設(shè)計,使得固體染料增益介質(zhì)在大能量高重頻泵浦下能夠保持高壽命,并得到較為理想的光束質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明大能量固體染料激光器機(jī)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為實施例1中多頭旋轉(zhuǎn)盤的正視圖。
[0017]圖3為實施例1中多頭旋轉(zhuǎn)盤的等軸側(cè)視圖。
[0018]圖4為A異型杯的正視圖。
[0019]圖5為A異型杯的等軸側(cè)視圖。
[0020]圖6為實施例2中多頭旋轉(zhuǎn)盤的正視圖。
[0021]圖7為實施例2中多頭旋轉(zhuǎn)盤的等軸側(cè)視圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0023]實施例1:
如圖1所示,本實施例包括發(fā)射臺架11,固定于發(fā)射臺架11底部的激光泵浦源12,45°全反鏡13,擴(kuò)束鏡14,平凹柱面鏡15,平凸柱面鏡16,增益介質(zhì)17,制冷裝置18,輸出鏡19,全反鏡20,旋轉(zhuǎn)盤21。激光泵浦源12為波長532nm的脈沖激光器,光束直徑約2_。擴(kuò)束鏡14為532nm波段四倍擴(kuò)束鏡,光束經(jīng)過它后光束直徑變?yōu)?mm。
[0024]平凹柱面鏡15為532nm波段鍍膜的K9材質(zhì),其焦距為_19臟,寬19mm,長38mm,中心厚度2mm,后焦距-20.32mm。平凸柱面鏡16為532nm波段鍍膜的K9材質(zhì),其焦距為75.6mm,寬25.4mm,長51mm,中心厚度5.12mm,后焦距72.22mm。平凹柱面鏡15的凹面中心與平凸柱面鏡16平面距離約53mm,泵浦光束經(jīng)過兩個柱面鏡后光斑軸向(即全反鏡120與輸出鏡19組成的諧振腔的光軸方向)尺寸約為40mm,橫向尺寸約為10mm。
[0025]增益介質(zhì)17與全反鏡20、輸出鏡19組成諧振腔,全反鏡20鍍有532nm波段反射率大于99%的介質(zhì)膜,輸出鏡19鍍有585nm波段40%透過率的介質(zhì)膜。
[0026]由泵浦源12輸出的激光束依次透過45°全反鏡13、擴(kuò)束鏡14、平凹柱面鏡15和平凸柱面鏡16,進(jìn)入所述諧振腔內(nèi),打在增益介質(zhì)17上,利用增益介質(zhì)17的大面積的側(cè)面對進(jìn)入諧振腔內(nèi)的光束進(jìn)行增益和轉(zhuǎn)換,并由輸出鏡19輸出。
[0027]如圖2、圖3所示,旋轉(zhuǎn)盤21上固定安裝有3個旋轉(zhuǎn)頭,所述旋轉(zhuǎn)頭由增益介質(zhì)17和制冷裝置18組成,可隨多頭旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行選擇和固定,旋轉(zhuǎn)頭21直徑260_。
[0028]制冷裝置18為TE制冷裝置,用機(jī)械件固定于旋轉(zhuǎn)盤上,其與增益介質(zhì)17的側(cè)面使用導(dǎo)熱硅膠緊密連接。
[0029]增益介質(zhì)17分為兩層,內(nèi)層為摻雜有PM597激光染料的溶膠凝膠玻璃,直徑IOmm ;外層為沒有摻雜的純?nèi)苣z凝膠玻璃,直徑18mm。其兩個側(cè)面寬度與內(nèi)層溶膠凝膠玻璃直徑相同,為10mm,其與內(nèi)層外表面距離約為2.5mm。其與制冷裝置18緊密連接的側(cè)面鍍有532nm波段反射率大于99%的介質(zhì)膜,這樣使得泵浦光經(jīng)過增益介質(zhì)后剩余的未吸收部分能夠反射回去,再一次經(jīng)過增益介質(zhì),提高了光光效率。另一個側(cè)面鍍有532nm波段透過率大于99%的介質(zhì)膜。增益介質(zhì)17兩個端面拋光,并鍍有585nm波段反射率大于99%的介質(zhì)膜。
[0030]用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)進(jìn)行增益的方法如下:
在發(fā)射臺架11底部固定好泵浦源12,選擇使用的旋轉(zhuǎn)頭,調(diào)整多頭旋轉(zhuǎn)盤21的旋轉(zhuǎn)頭在染料激光增益系統(tǒng)中的位置,使嵌于其上的增益介質(zhì)17固定在諧振腔內(nèi);
調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的位置,保證泵浦源12發(fā)出的光束經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)均勻照射在所述增益介質(zhì)17側(cè)面,由工作人員手動調(diào)節(jié)發(fā)射臺架11的固定位置,使光束經(jīng)過45°全反鏡13反射后水平入射,經(jīng)諧振腔的輸出鏡19垂直輸出;
啟動制冷裝置18至規(guī)定溫度,由溫度檢測探頭采集并記錄增益介質(zhì)17工作時溫度的變化,在大能量泵浦源下的固體染料中的熱積累影響到輸出光束的質(zhì)量時,由報警器發(fā)出警報,告知工作人員,由工作人員旋轉(zhuǎn)多頭旋轉(zhuǎn)盤21,選擇備用旋轉(zhuǎn)頭,并調(diào)整內(nèi)嵌于其上的增益介質(zhì)17固定在諧振腔內(nèi)繼續(xù)工作。
[0031]如圖4、圖5所示,A異型杯設(shè)有一外壁和一內(nèi)壁33,外壁由外圓筒壁31和平壁32一體化形成中心對稱結(jié)構(gòu),外壁和內(nèi)壁33的底部用連接件連接在一體,內(nèi)壁33與外圓筒壁31同軸、等高。內(nèi)壁33和外壁之間設(shè)有間隙,以形成增益介質(zhì)的外層,所述內(nèi)壁33、外壁和連接件采用聚四氟乙烯材料一體成型制作。
[0032]內(nèi)壁33的直徑為10mm,即增益介質(zhì)17內(nèi)層的直徑。平壁32內(nèi)表面寬10mm,即增益介質(zhì)17側(cè)面的寬度。平壁32與內(nèi)壁33的距離約為2.5mm,即增益介質(zhì)17的側(cè)面到其內(nèi)層外表面的距離。A異型杯長25mm,寬20mm,高210mm,可一次制作5枚素還。
[0033]用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)17的制作方法如下:
第一步,制作外層,將形成溶膠了的無染料摻雜的基質(zhì)放入A異型杯中,其中,A異型杯為凹型結(jié)構(gòu);
第二步,放入40° C恒溫箱中縮聚形成凝膠,干燥10-14天,形成素坯;
第三步,將素坯取出,放入托盤內(nèi);
第四步,制作內(nèi)層,將另外制作的形成溶膠了的摻雜有激光染料的基質(zhì)小心填充素坯的凹槽內(nèi);
第五步,再次放入恒溫箱中縮聚形成凝膠,在40° (T80° C的環(huán)境下經(jīng)干燥30-60天; 第六步,取出,分割;
第七步,機(jī)械加工、拋光。
[0034]實施例2:
如圖6、圖7所示,旋轉(zhuǎn)盤21上固定安裝有4個旋轉(zhuǎn)頭。其他與實施例1相同。
[0035]本發(fā)明通過特殊設(shè)計的側(cè)面大面積均勻泵浦,同樣泵浦能量下,降低了單位面積增益介質(zhì)17上的能量密度,減緩染料分子瞬態(tài)吸收的建立,延長了固體染料的壽命,間接地提高了激光器的輸出效率。使用制冷裝置18對固體染料增益介質(zhì)進(jìn)行溫控,緩解大能量泵浦下固體染料增益介質(zhì)17中的熱積累,延長固體染料壽命,提高激光器效率。針對側(cè)面泵浦方式,對增益介質(zhì)17進(jìn)行特殊設(shè)計,在內(nèi)層外包裹一層沒有染料摻雜的凝膠溶膠玻璃,由于內(nèi)外層折射率幾乎一致,可以得到更好的光束質(zhì)量,在一定程度上提高染料激光器的轉(zhuǎn)換效率。
【權(quán)利要求】
1.一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),其特征在于:由激光發(fā)射源、光學(xué)系統(tǒng)和染料激光增益系統(tǒng)組成,其中激光發(fā)射源包括發(fā)射臺架,固定于發(fā)射臺架底部的泵浦源,所述泵浦源發(fā)出的光束經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)均勻照射在染料激光增益系統(tǒng)上,所述染料激光增益系統(tǒng)包括多頭旋轉(zhuǎn)盤,多頭旋轉(zhuǎn)盤上固定安裝有至少一個旋轉(zhuǎn)頭,增益介質(zhì)內(nèi)嵌于所述旋轉(zhuǎn)頭上,且可隨多頭旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行選擇和固定。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),其特征在于:所述激光發(fā)射源采用532nm激光泵浦源。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),其特征在于:所述光學(xué)系統(tǒng)包括45°全反鏡、擴(kuò)束鏡和柱面鏡,所述柱面鏡由平凹柱面鏡和平凸柱面鏡組成,所述泵浦源發(fā)出的光束經(jīng)由45°全反鏡反射進(jìn)入擴(kuò)束鏡后,依次經(jīng)過平凹柱面鏡和平凸柱面鏡,所述光學(xué)系統(tǒng)的輸出光束均勻照射在所述增益介質(zhì)側(cè)面。
4.如權(quán)利要求1所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),其特征在于:所述多頭旋轉(zhuǎn)盤可進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)并固定,來調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)頭的固定位置,內(nèi)嵌于旋轉(zhuǎn)頭的增益介質(zhì)分為兩層,內(nèi)層為摻雜有激光染料的固體染料基質(zhì),外層為沒有摻雜的純固體染料基質(zhì),所述基質(zhì)為溶膠凝膠玻璃,所述激光染料為Rhodamine 6G, PM597或者perylene orange染料中的任意一種。
5.如權(quán)利要求1所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),其特征在于:所述染料激光增益系統(tǒng)還包括一 0°全反鏡和一輸出鏡,所述0°全反鏡和輸出鏡組成諧振腔,在諧振腔內(nèi)置所述增益介質(zhì),0°全反鏡和輸出鏡分別位于增益介質(zhì)兩側(cè),由泵浦源輸出的激光束依次經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的45°全反鏡,擴(kuò)束鏡、柱面鏡,進(jìn)入所述諧振腔內(nèi),打在增益介質(zhì)上,利用增益 介質(zhì)的大面積的側(cè)面對進(jìn)入諧振腔內(nèi)的光束進(jìn)行增益和轉(zhuǎn)換,并由所述輸出鏡輸出。
6.如權(quán)利要求1所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),其特征在于:所述染料激光增益系統(tǒng)還包括制冷裝置,所述制冷裝置位于所述多頭旋轉(zhuǎn)盤上的旋轉(zhuǎn)頭的底部,且可隨所述旋轉(zhuǎn)頭更換使用,所述增益介質(zhì)的側(cè)面與所述制冷裝置通過接合部件緊密連接。
7.如權(quán)利要求6所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),其特征在于:所述制冷裝置采用TE制冷裝置或磁制冷裝置中的任意一種。
8.如權(quán)利要求6所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng),其特征在于:所述接合部件具有大的剪切彈性模數(shù),具體地說,所述接合部件由導(dǎo)熱硅膠等金屬類接合材料或環(huán)氧樹脂等具有剛性的材料構(gòu)成。
9.一種利用如權(quán)利要求1所述的用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)進(jìn)行增益的方法,其特征在于: 在發(fā)射臺架底部固定好泵浦源,選擇使用的旋轉(zhuǎn)頭,調(diào)整多頭旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)頭在染料激光增益系統(tǒng)中的位置,使內(nèi)嵌于其上的增益介質(zhì)固定在諧振腔內(nèi); 調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的位置,保證泵浦源發(fā)出的光束經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)均勻照射在所述增益介質(zhì)側(cè)面,由工作人員手動調(diào)節(jié)發(fā)射臺架的固定位置,使光束經(jīng)過45°全反鏡反射后水平入射,經(jīng)諧振腔的輸出鏡垂直輸出; 啟動制冷裝置至規(guī)定溫度,由溫度檢測探頭采集并記錄增益介質(zhì)工作時溫度的變化,在大能量泵浦源下的固體染料中的熱積累影響到輸出光束的質(zhì)量時,由報警器發(fā)出警報,告知工作人員,由工作人員旋轉(zhuǎn)多頭旋轉(zhuǎn)盤,選擇備用旋轉(zhuǎn)頭,并調(diào)整內(nèi)嵌于其上的增益介質(zhì)固定在諧振腔內(nèi)繼續(xù)工作。
10.一種如權(quán)利要求9所述的利用用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)進(jìn)行增益的方法,其特征在于:在所述增益介質(zhì)與制冷裝置緊密連接的側(cè)面鍍有532nm波段反射率大于99%的介質(zhì)膜,另一側(cè)面鍍有532nm波段透射率大于99%的介質(zhì)膜。
【文檔編號】H01S3/06GK103986049SQ201410188104
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】顧華東, 陳瑞濤, 楊杰, 鄭陳琪 申請人:中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所