一種浸沒式冷卻固體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種浸沒式冷卻固體激光器。包括流動增益池、與流動增益池依次連接的熱交換器、折射率匹配液儲液池、流動循環(huán)泵和流量控制器；流動增益池兩端分別通過折射率匹配液出口和折射率匹配液進口與熱交換器和流量控制器連接從而形成閉路的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；流動增益池外部還設(shè)置有諧振腔與半導(dǎo)體激光泵浦源；諧振腔由全反射鏡和輸出鏡組成；折射率匹配液儲液池內(nèi)裝有折射率匹配液；流動增益池內(nèi)部在通光方向設(shè)置有呈布儒斯特角“八字型”對稱擺放的激光增益介質(zhì)；流動增益池四周還設(shè)置有通光窗口。本發(fā)明提出了一種避免了光路偏折、提高了工作效率的浸沒式冷卻固體激光器。
【專利說明】一種浸沒式冷卻固體激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種激光器，具體涉及一種浸沒式冷卻固體激光 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 固體激光器具有輸出能量大，峰值功率高等特點，在工業(yè)制造、國防、高能物理研 究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著激光技術(shù)的進步，高功率強激光技術(shù)目前己成為固體激光 器發(fā)展一個重要方向。但固態(tài)激光系統(tǒng)由于泵浦過程中的斯塔克斯譜移、量子虧損、無用泵 浦吸收帶等原因，會產(chǎn)生大量的廢熱，導(dǎo)致增益介質(zhì)的熱透鏡、應(yīng)力、退偏、雙折射，甚至產(chǎn) 生破壞性不可逆損，從而限制了它的重復(fù)使用率、使用范圍、運轉(zhuǎn)周期和壽命。美國利弗莫 爾國家實驗室提出了采用激光器工作過程中不冷卻，停止運轉(zhuǎn)后對工作介質(zhì)進行強制快速 致冷的固體激光器熱容模式（IEEE J. Quantum Electron.，31:293-300)。該方法在一定程 度上提高了熱管理效率，改善了輸出光束質(zhì)量，提高了平均輸出功率和工作效率，但無法實 現(xiàn)冷卻和激光輸出同時進行，必須采用脫機冷卻的工作方式，大大影響了激光器工作的穩(wěn) 定性和效率，并未從根本上解決工作過程中的熱效問題。美國通用公司提出了采用分布式 激光增益介質(zhì)的激光器，將增益介質(zhì)切割為一定厚度的薄片，按照一定角度陣列排布，冷卻 液體從陣列薄片四周流動，實現(xiàn)激光器運轉(zhuǎn)和冷卻同時進行（專利US7366211B2)。該方法 提高了冷卻液和激光增益介質(zhì)的熱交換效率，可以有效的提高固體激光器的冷卻效果，但 增益介質(zhì)呈一定角度重復(fù)排列必然造成光路的偏折，給光路的設(shè)計及調(diào)整帶來一定挑戰(zhàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種浸沒式冷卻固體激光 器，有效的避免了光路偏折，實現(xiàn)大口徑激光輸出和冷卻同時進行，提高了激光器的輸出功 率和工作效率，降低激光泵浦過程中增益介質(zhì)的熱累積。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種浸沒式冷卻固體激光器，其特殊之處在于：包括流動 增益池、與流動增益池依次連接的熱交換器、折射率匹配液儲液池、流動循環(huán)泵和流量控制 器；所述流動增益池兩端分別通過折射率匹配液出口和折射率匹配液進口與熱交換器和流 量控制器連接從而形成閉路的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；上述流動增益池外部還設(shè)置有諧振腔與半導(dǎo) 體激光泵浦源；
[0005] 上述諧振腔由全反射鏡和輸出鏡組成；
[0006] 上述折射率匹配液儲液池內(nèi)裝有折射率匹配液；
[0007] 上述流動增益池內(nèi)部在通光方向設(shè)置有呈布儒斯特角"八字型"對稱擺放的激光 增益介質(zhì)；流動增益池四周還設(shè)置有通光窗口；
[0008] 上述激光增益介質(zhì)為片狀摻釹激光玻璃或晶體材料，且增益介質(zhì)的泵浦光和激光 輸出方向垂直；
[0009] 上述半導(dǎo)體激光泵浦源波長為800?808納米；
[0010] 上述激光增益介質(zhì)厚度為0. 1?10mm，邊長為10?100mm ;
[0011] 上述折射率匹配液為有機溶劑或其混合物；
[0012] 上述全反鏡為平面鏡鍍1048?1070納米全反膜；
[0013] 上述輸出鏡為凹面鏡；
[0014] 上述通光窗口鍍有800?808納米增透膜石英窗口片。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0016] 該浸沒式冷卻固體激光器，采用激光性能的片狀摻釹晶體或玻璃作為激光增益介 質(zhì)，可以充分發(fā)揮固體激光器優(yōu)異的光譜特性，實現(xiàn)大口徑激光輸出；同時采用液體對激光 工作物質(zhì)直接進行浸沒式冷卻，大大提高了熱管理效率，極限熱功率負載大幅提高，從而允 許注入更高的泵浦功率并大幅提高激光輸出功率和頻率。將固體材料加工為薄片，可以直 接提高增益介質(zhì)的散熱面積，提高了增益介質(zhì)和冷卻液的熱交換效率；增益介質(zhì)在流動池 中可以單片或多片為一組，每組間呈"八字型"對稱擺放，可以實現(xiàn)增益介質(zhì)的陣列排放，而 不會產(chǎn)生光路偏折。增益介質(zhì)的泵浦光和激光輸出方向垂直，方便泵浦源的空間擺放，可以 實現(xiàn)單元模塊的串聯(lián)激光放大，更容易實現(xiàn)高能量激光輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器匹配液流動循環(huán)示意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器激光輸出圖譜；
[0020] 圖4為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器激光輸出斜率效率；
[0021] 其中1-輸出鏡，2-全反鏡，3-半導(dǎo)體激光泵浦源，4-流動增益池，5-激光增益介 質(zhì)，6a-折射率匹配液進口，6b-折射率匹配液出口，7-激光輸出通光窗口，8-泵浦光通光窗 口，9-熱交換器，10-折射率匹配液儲液池，11-流動循環(huán)泵，12-流量控制器。

【具體實施方式】
[0022] 參見圖1-4, 一種浸沒式冷卻固體激光器，包括流動增益池4、與流動增益池4依次 連接的熱交換器9、折射率匹配液儲液池10、流動循環(huán)泵11和流量控制器12 ;所述流動增 益池4兩端分別通過折射率匹配液出口 6b和折射率匹配液進口 6a與熱交換器9和流量控 制器12連接從而形成閉路的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；所述流動增益池4外部還設(shè)置有諧振腔與半導(dǎo) 體激光泵浦源；諧振腔由全反射鏡2和輸出鏡1組成；折射率匹配液儲液池10內(nèi)裝有折射 率匹配液；流動增益池4內(nèi)部在通光方向設(shè)置有呈布儒斯特角"八字型"對稱擺放的激光增 益介質(zhì)；流動增益池4四周還設(shè)置有通光窗口；激光增益介質(zhì)為片狀摻釹激光玻璃或晶體 材料，且增益介質(zhì)的泵浦光和激光輸出方向垂直。半導(dǎo)體激光泵浦源波長為808納米；激 光增益介質(zhì)為摻釹激光玻璃或晶體材料；激光增益介質(zhì)厚度為〇. 1?l〇mm，邊長為10? 100mm ;折射率匹配液為有機溶劑或其混合物；全反鏡為平面鏡鍍1064納米全反膜；輸出鏡 為凹面鏡；通光窗口鍍有808納米增透膜石英窗口片。
[0023] 圖1為本發(fā)明的浸沒式冷卻固體激光器意圖。由圖可知，1和2分別為輸出鏡和全 反射鏡，全反鏡為平面鏡鍍1064納米全反膜，輸出鏡為凹面鏡在1064納米透過率為85%， 形成一個完整的平凹諧振腔可以實現(xiàn)光的振蕩放大。3為半導(dǎo)體激光泵浦源，波長為808納 米，用于對擺放于流動增益池4中的Nd:YAG晶體5進行泵浦。4為流動增益池，內(nèi)可安置 片狀激光增益介質(zhì)，在其底端和頂端各有兩個進液和出液口 6,在激光振蕩通光方向為鍍有 1064納米增透膜石英窗口片7,半導(dǎo)體激光泵浦源正對方向為鍍有808納米增透膜石英窗 口片8。激光增益介質(zhì)為lat%濃度的Nd:YAG晶體，尺寸為30*25*lmm 3,三片一組，與1064 納米激光輸出方向呈布儒斯特角（38.4° )擺放，兩組晶片呈"八字型"對稱擺放，可以抵消 其中一組傾斜擺放產(chǎn)生的光路偏折，有利于單元模塊的串聯(lián)放大。
[0024] 圖2為浸沒式冷卻固體激光器匹配液流動循環(huán)示意圖。由于固態(tài)激光系統(tǒng)在泵浦 過程中的斯塔克斯譜移、量子虧損、無用泵浦吸收等原因，會產(chǎn)生大量的廢熱，導(dǎo)致增益介 質(zhì)的熱透鏡、應(yīng)力、退偏、雙折射，影響激光器的正常運轉(zhuǎn)。本發(fā)明采用折射率匹配冷卻液， 對增益介質(zhì)產(chǎn)生的廢熱實時動態(tài)流動管理，有效的降低了廢熱的累積。本方案采用與石英 在1064納米折射率匹配的四氯化碳為冷卻液體，該液體對808納米和1064納米的光波幾 乎不吸收，大大降到了冷卻液體對泵浦光和輸出激光的損耗。激光增益介質(zhì)5完全浸沒在 四氯化碳中，經(jīng)流動增益池4上的出液口 6-b到達熱交換器9中，從而對從增益體系中帶出 的廢熱進行交換，降低冷卻液的溫度。然后，冷卻液進入儲液池10,經(jīng)螺旋泵11給液體提供 一定流速，經(jīng)流速控制器12將液體流速控制在2m/s，經(jīng)進液口 6-a到達流動增益池，完成整 個流動冷卻循環(huán)過程。
[0025] 采用兩臺808納米半導(dǎo)體陣列激光器，分布于流動增益池的兩側(cè)，泵浦頻率為1赫 茲，泵浦脈寬為200微秒，泵浦光經(jīng)光學(xué)整形后將能量集中在10*10_ 2的一個面上，對激光 增益介質(zhì)進行脈沖泵浦，流動液體的流速為2m/s，實現(xiàn)了 1064納米的穩(wěn)定激光輸出（見圖 3)。通過調(diào)整泵浦能量，采用能量計探頭獲得了不同泵浦能量條件下的激光輸出能量，并獲 得了激光器的斜率效率為30% (見圖4)。
【權(quán)利要求】
1. 一種浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：包括流動增益池、與流動增益池依次連 接的熱交換器、折射率匹配液儲液池、流動循環(huán)泵和流量控制器；所述流動增益池兩端分別 通過折射率匹配液出口和折射率匹配液進口與熱交換器和流量控制器連接從而形成閉路 的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；所述流動增益池外部還設(shè)置有諧振腔與半導(dǎo)體激光泵浦源； 所述諧振腔由全反射鏡和輸出鏡組成； 所述折射率匹配液儲液池內(nèi)裝有折射率匹配液； 所述流動增益池內(nèi)部在通光方向設(shè)置有呈布儒斯特角"八字型"對稱擺放的激光增益 介質(zhì)；流動增益池四周還設(shè)置有通光窗口； 所述激光增益介質(zhì)為片狀摻釹激光玻璃或晶體材料，且增益介質(zhì)的泵浦光和激光輸出 方向垂直。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述半導(dǎo)體激光泵浦 源波長為800?808納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述激光增益介 質(zhì)厚度為〇· 1?1〇_，邊長為10?1〇〇_。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述折射率匹配液為 有機溶劑或其混合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述全反鏡為平面鏡 鍍1048?1070納米全反膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述輸出鏡為凹面鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的浸沒式冷卻固體激光器，其特征在于：所述通光窗口鍍有 800?808納米增透膜石英窗口片。
【文檔編號】H01S3/16GK104064955SQ201410264286
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】佘江波, 彭波, 聶榮志, 趙朋飛 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所