激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器及激光产生方法

摘要

本发明公开了一种激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器及激光产生方法，该激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，包括：循环流道结构，包括：碱金属蒸发收集器；循环流道，与碱金属蒸发收集器相连通，包括相连通的第一流道、第二流道和核心流道区；温度控制环，以及驱动装置，位于第一流道和第二流道之间；泵浦结构，包括：激光二极管；以及非球面聚焦镜，设置于核心流道区内；以及谐振腔，其光轴与核心流道区的轴向共轴；其中，谐振腔输出的激光的方向与泵浦光聚焦的焦点共线，核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与激光的方向相同或相向。

权利要求

1.一种激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，包括：循环流道结构，包括：

碱金属蒸发收集器，用于产生或者收集碱金属蒸气；

循环流道，装有预先充好的缓冲气体，与所述碱金属蒸发收集器相连通，用于使产生的所述碱金属蒸汽循环流动，包括相连通的第一流道、第二流道和核心流道区；

温度控制环，用于控制所述核心流道区内碱金属蒸气的温度，以及驱动装置，位于所述第一流道和第二流道之间，用于驱动所述碱金属蒸气在所述循环流道内循环流动；

泵浦结构，包括：

激光二极管，用于提供泵浦光；以及

非球面聚焦镜，设置于所述核心流道区内，用于使入射在非球面聚焦镜上的所述泵浦光聚焦，从而使所述核心流道区内的碱金属蒸气产生粒子数反转，进而产生激光；以及谐振腔，其光轴与所述核心流道区的轴向共轴，所述碱金属蒸气在所述核心流道区经泵浦光激励产生的激光通过所述谐振腔振荡后输出；

其中，所述谐振腔输出的所述激光的方向与所述泵浦光聚焦的焦点共线，所述核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与所述激光的方向相同或相向；

其中，所述循环流道结构还包括：

热交换器，设置于所述第一流道上，用于控制所述第一流道内碱金属蒸气的温度；

Y型管道，设置于所述第一流道和碱金属蒸发收集器之间，包括两个与所述第一流道相连通的第一端口，以及一个与所述碱金属蒸发收集器相连通的第二端口；

挡板，设置于所述第一流道上且位于所述Y型管道的两个第一端口之间，能够在打开和关闭两个状态之间切换；

其中，当所述挡板打开时，所述碱金属蒸气流经所述第一流道在所述循环流道内循环；

当所述挡板关闭时，所述第一流道内的碱金属蒸气流经所述Y型管道后被冷凝回收至所述碱金属蒸发收集器。

2.如权利要求1所述的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，其中，所述缓冲气体为氦气。

3.如权利要求1所述的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，其中，所述循环流道结构的数量为至少一个，且对应于同一所述谐振腔进行并列设置。

4.如权利要求3所述的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，其中，每个所述循环流道结构中第二流道的数量为一个或两个；

当所述第二流道的数量为一个时，所述非球面聚焦镜的数量为一对，分别设置于所述核心流道区的两端；

当所述第二流道的数量为两个时，所述核心流道区分成两个子核心流道区，分别与两个所述第二流道相连通，所述非球面聚焦镜的数量为一对，分别设置于所述核心流道区的两端，或所述非球面聚焦镜为两对，一对所述非球面聚焦镜设置于一个所述子核心流道区的两端。

5.如权利要求1所述的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，其中，所述碱金属蒸气为Cs蒸气、Rb蒸气、K蒸气；

所述第一流道、所述第二流道和所述核心流道区为不锈钢流道。

6.如权利要求1所述的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，其中，所述驱动装置为风机。

7.如权利要求6所述的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，其中，所述风机的流速大于100m/s。

8.一种如权利要求1‑7任一项所述的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器产生激光的方法，包括：利用碱金属蒸发收集器产生碱金属蒸气并流入第一流道；

进入第一流道的所述碱金属蒸气在驱动装置驱动下经第二流道流入核心流道区；

利用温度控制环控制进入所述核心流道区的所述碱金属蒸气温度；

利用非球面聚焦镜使泵浦光聚焦，从而使所述核心流道区内的碱金属蒸气产生离子数反转，进而产生激光；

使所述激光在谐振腔中振荡并输出；

其中，所述第一流道、第二流道和核心流道区装有预先充好的缓冲气体，所述谐振腔输出的所述激光的方向与所述泵浦光聚焦的焦点共线，所述核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与所述激光的方向相同或相向。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括：当所述激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器工作时，打开挡板，使所述碱金属蒸气通过热交换器控温后流经第一流道而在循环流道内循环；

当所述激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器停止工作时，关上挡板，使所述碱金属蒸气经热交换器控温后流经Y型管道后被冷凝回收至所述碱金属蒸发收集器。

说明书

激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器及激光产生方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光器技术，特别涉及激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器及激光产生方法。

背景技术

[0002] 激光二极管泵浦碱金属蒸气激光器(Diode Pumped Alkali vapor Laser，DPAL)是近年提出的一种新型的光泵气体激光器。其增益介质是蒸气状态的碱金属(主要指钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs))。K、Rb、Cs激光二极管泵浦碱金属蒸气激光器中增益介质的能级跃迁结构相同。图1是DPAL中增益介质的能级跃迁示意图。如图1所示，n是碱金属原子最外层电子所在电子层数，K、Rb、Cs对应的n分别为4、5、6。nS1/2为基态能级，nP1/2和nP3/2为最外层电子自旋‑轨道相互作用而劈裂的激发态能级。D2、D1线分别对应增益介质的泵浦跃迁和激光跃迁。

[0003] DPAL具有95％以上的量子效率，并且增益介质是气体，光学均匀性好，可以流动散热，有望实现高功率高光束质量的激光输出，在激光加工、激光传能、光电对抗、激光武器等方面具有广阔的应用前景。

[0004] 使增益介质流动以解决散热问题，是DPAL实现高功率输出的主要技术手段。相关的DPAL所采用的技术手段均为横向流动，即增益介质的流动方向与激光光轴垂直。图2是横向流动DPAL示意图。如图2所示，气体流动沿着u的方向，而激光沿L方向，与气流方向垂直。增益介质横向流动的技术路线有利于获得大的增益体积及高功重比(功率/重量)高功体比(功率/体积)，适合研制超高功率DPAL，以满足激光武器等应用需求。但其光束质量较低，难以实现基模的激光输出，不适用于激光加工、激光切割等应用中。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供利用激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器及激光产生方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

[0006] 为了实现上述目的，作为本发明的第一个方面，提供了一种激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，包括：循环流道结构，包括：碱金属蒸发收集器，用于产生或者收集碱金属蒸气；循环流道，装有预先充好的缓冲气体，与所述碱金属蒸发收集器相连通，用于使产生的所述碱金属蒸汽循环流动，包括相连通的第一流道、第二流道和核心流道区；温度控制环，用于控制所述核心流道区内碱金属蒸气的温度，以及驱动装置，位于所述第一流道和第二流道之间，用于驱动所述碱金属蒸气在所述循环流道内循环流动；泵浦结构，包括：激光二极管，用于提供泵浦光；以及非球面聚焦镜，设置于所述核心流道区内，用于使入射在非球面聚焦镜上的所述泵浦光聚焦，从而使所述核心流道区内的碱金属蒸气产生粒子数反转，进而产生激光；以及谐振腔，其光轴与所述核心流道区的轴向共轴，所述碱金属蒸汽在所述核心流道区经泵浦光激励产生的激光通过所述谐振腔振荡后输出；其中，所述谐振腔输出的所述激光的方向与所述泵浦光聚焦的焦点共线，所述核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与所述激光的方向相同或相向。

[0007] 作为本发明的第二个方面，还提供了一种如上所述的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器产生激光的方法，包括：利用碱金属蒸发收集器产生碱金属蒸气并流入第一流道；进入第一流道的所述碱金属蒸气在驱动装置驱动下经第二流道流入核心流道区；利用温度控制环控制进入所述核心流道区的所述碱金属蒸气温度；利用非球面聚焦镜使泵浦光聚焦，从而使所述核心流道区内的碱金属蒸气产生粒子数反转，进而产生激光；使所述激光在谐振腔中振荡并输出；其中，所述谐振腔输出的所述激光的方向与所述泵浦光聚焦的焦点共线，所述核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与所述激光的方向相同或相向。

[0008] 从上述技术方案可以看出，本发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器及激光产生方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

[0009] (1)本发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，其谐振腔输出的所述激光的方向与所述泵浦光聚焦的焦点共线，所述核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与所述激光的方向相同或相向，这使得泵浦光的参数，如线宽、功率密度分布等以及增益介质的流体力学参数如碱金属流速、热力学参数如碱金属气体的温度、密度、压强和流速等全部参数均以谐振腔的光轴为对称中心轴对称分布，即在径向上对称，有利于获得较好的光束质量，实现基模的激光输出。

[0010] (2)本发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器在循环流道装有预先充好的缓冲气体，该缓冲气体可以使碱金属蒸气更好的吸收泵浦光，从而产生粒子数反转。

附图说明

[0011] 图1是DPAL中增益介质的能级跃迁示意图；

[0012] 图2是横向流动DPAL示意图；

[0013] 图3是本发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器装置图；

[0014] 图4a为发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器的挡板打开的状态；

[0015] 图4b为发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器的挡板关闭的状态。

[0016] 附图标记说明

[0017] 1 温度控制环

[0018] 2 上游流道

[0019] 3 下游流道

[0020] 4 热交换器

[0021] 5 碱金属蒸发收集器

[0022] 6 风机

[0023] 7 挡板

[0024] 8 非球面聚焦镜

[0025] 9 全反射镜片

[0026] 10 激光输出镜片

[0027] 11 子核心流道区

[0028] 12 Y型管道

具体实施方式

[0029] 在实施本发明的过程中发现，在碱金属蒸气激光器中，通过设计，使谐振腔输出的激光的方向与泵浦光聚焦的焦点共线，使核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与激光的方向相同或相向，可以输出质量较好的激光，同时可以实现基模的激光输出。

[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0031] 根据本发明的实施例，提供了一种激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器，包括：循环流道结构，包括：碱金属蒸发收集器，用于产生或者收集碱金属蒸气；循环流道，，装有预先充好的缓冲气体，与碱金属蒸发收集器相连通，用于使产生的碱金属蒸汽循环流动，包括相连通的第一流道(即下游流道)、第二流道(即上游流道)和核心流道区；温度控制环，用于控制核心流道区内碱金属蒸气的温度，以及驱动装置，位于第一流道和第二流道之间，用于驱动碱金属蒸气在循环流道内循环流动；泵浦结构，包括：激光二极管，用于提供泵浦光；
以及非球面聚焦镜，设置于核心流道区内，用于使入射在非球面聚焦镜上的泵浦光聚焦，从而使核心流道区内的碱金属蒸气产生粒子数反转，进而产生激光；以及谐振腔，其光轴与核心流道区的轴向共轴(即共线或平行)，碱金属蒸汽在核心流道区经泵浦光激励产生的激光通过谐振腔振荡后输出；其中，谐振腔输出的激光的方向与泵浦光聚焦的焦点共线，核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与激光的方向相同或相向。

[0032] 谐振腔输出的激光的方向与泵浦光聚焦的焦点共线，核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与激光的方向相同或相向，这使得泵浦光的参数，如线宽、功率密度分布等，增益介质的流体力学参数如碱金属流速、热力学参数如碱金属气体的温度、密度、压强和流速等全部参数均以光轴为对称中心轴对称分布，即径向上的对称，有利于获得较好的光束质量，实现基模的激光输出。本发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器中还装有预先充好的缓冲气体、如氦气，可以增加增益介质(碱金属蒸气)的吸收线宽使其更好的吸收泵浦光。

[0033] 根据本发明的实施例，循环流道结构还包括：热交换器，设置于第一流道上，用于控制第一流道内碱金属蒸气的温度；Y型管道，设置于第一流道和碱金属蒸发收集器之间，包括两个与第一流道相连通的第一端口，以及一个与碱金属蒸发收集器相连通的第二端口；挡板，设置于第一流道上且位于Y型管道的两个第一端口之间，能够在打开和关闭两个状态之间切换；其中，当挡板打开时，碱金属蒸气流经第一流道在循环流道内循环；当挡板关闭时，第一流道内的碱金属蒸气流经Y型管道后被冷凝回收至碱金属蒸发收集器。

[0034] 当挡板打开时，热交换器使下游流道的气体保持高温状态，即保持下游流道的碱金属蒸气的温度低于核心流道区10℃左右，当挡板关闭时，下游流道的碱金属蒸气的热量会随着气体的流动，通过热交换器散去，进而使下游流道的碱金属蒸气的温度降低，在Y型管道附近冷凝后进入到碱金属蒸发收集器，完成碱金属蒸气的收集。

[0035] 根据本发明的实施例，循环流道结构的数量为至少一个，且对应于同一谐振腔进行并列设置，提高激光输出效率。

[0036] 根据本发明的实施例，每个循环流道结构中第二流道的数量为一个或两个；当第二流道的数量为一个时，非球面聚焦镜的数量为一对，分别设置于核心流道区的两端；当第二流道的数量为两个时，核心流道区分成两个子核心流道区，分别与两个第二流道相连通，非球面聚焦镜的数量为一对，分别设置于核心流道区的两端，或非球面聚焦镜为两对，一对非球面聚焦镜设置于一个子核心流道区的两端。

[0037] 当上游流道有两个时，在每个子核心流道区中的碱金属蒸气在轴向上相向流动。

[0038] 根据本发明的实施例，谐振腔包括全反射镜片和激光输出镜片，分别位于核心流道区两侧并呈共线设置。

[0039] 根据本发明的实施例，碱金属蒸气为Cs蒸气、Rb蒸气、K蒸气。

[0040] 根据本发明的实施例，驱动装置为风机。

[0041] 根据本发明的实施例，风机的流速大于100m/s。风机功率大，气体流速快，散热能力强，减少热沉积，进而可提高激光功率。

[0042] 根据本发明的实施例，第一流道、第二流道和核心流道区为不锈钢流道。

[0043] 根据本发明的实施例，还提出了一种利用上述激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器产生激光的方法，包括：

[0044] 利用碱金属蒸发收集器产生碱金属蒸气并流入第一流道；进入第一流道的碱金属蒸气在驱动装置驱动下经第二流道流入核心流道区；利用温度控制环控制进入核心流道区的碱金属蒸气温度；利用非球面聚焦镜使泵浦光聚焦，从而使核心流道区内的碱金属蒸气产生粒子数反转，进而产生激光；使激光在谐振腔中振荡并输出；其中，第一流道、第二流道和核心流道区装有预先充好的缓冲气体，谐振腔输出的激光的方向与泵浦光聚焦的焦点共线，核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与激光的方向相同或相向。

[0045] 根据本发明的实施例，利用上述激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器产生激光的方法还包括：当激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器工作时，打开挡板，使碱金属蒸气通过热交换器控温后流经第一流道而在循环流道内循环；当激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器停止工作时，关上挡板，使碱金属蒸气经热交换器控温后流经Y型管道后被冷凝回收至碱金属蒸发收集器。

[0046] 以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

[0047] 实施例1

[0048] 图3是本发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器装置图。如图3所示，本发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器循环流道结构，包括：碱金属蒸发收集器5，用于产生或者收集碱金属蒸气；循环流道，与碱金属蒸发收集器5相连通，用于使产生的碱金属蒸汽循环流动，包括相连通的下游流道3、上游流道2和核心流道区；温度控制环1，用于控制核心流道区内碱金属蒸气的温度；风机6，位于下游流道3和上游流道2之间，用于驱动碱金属蒸气在循环流道内循环流动；激光二极管，用于提供泵浦光；以及非球面聚焦镜8，设置于核心流道区内，用于使入射在非球面聚焦镜8上的泵浦光聚焦，从而使核心流道区内的碱金属蒸气产生粒子数反转，进而产生激光；以及谐振腔，其光轴与核心流道区的轴向共轴，碱金属蒸汽在核心流道区经泵浦光激励产生的激光通过谐振腔振荡后输出；其中，谐振腔输出的激光的方向与泵浦光聚焦的焦点共线，核心流道区内碱金属蒸气的流动方向与激光的方向相同或相向。热交换器4，设置于下游，用于控制下游流道3内碱金属蒸气的温度；Y型管道12，设置于下游流道3和碱金属蒸发收集器5之间，包括两个与下游流道3相连通的第一端口，以及一个与碱金属蒸发收集器5相连通的第二端口；挡板7，设置于下游流道上且位于Y型管道12的两个第一端口之间，能够在打开和关闭两个状态之间切换，图4a为发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器的挡板打开的状态。图4b为发明的激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器的挡板关闭的状态。如图4a所示，当挡板7打开时，碱金属蒸气流经下游流道3在循环流道内循环，当挡板关闭时，如图4b所示，下游流道内3的碱金属蒸气流经Y型管道12后被冷凝回收至碱金属蒸发收集器5。上游流道2的数量为两个，核心流道区分成两个子核心流道区11，分别与两个上游流道2相连通，上游流道2非球面聚焦镜8为两对，分别设置于子核心流道区11的两端。

[0049] 准备工作时，将循环流道预先充好缓冲气体，打开温度控制环1和热交换器4控制温度，核心流道区11控制在碱金属蒸气激光产生的最佳温度(Cs 120℃、Rb 150℃、K 200℃)，下游流道3温度低于核心流道区10℃左右。打开风机6使缓冲气体按图3中箭头方向流动。加热碱金属蒸发收集器5，产生碱金属蒸气，与缓冲气体混合，共同流动。工作时，拿开挡板，射入泵浦光，碱金属蒸气会在核心流道区产生粒子数反转，进而产生激光。产生的热量会随着气体(碱金属蒸气和缓冲气体)的流动，通过热交换器4散去。停止工作时，放置挡板7，气体会经过Y型管道12。降低温度，碱金属蒸气会冷凝在Y型管道12附近，进而流入到碱金属蒸发收集器5内，完成碱金属的收集。之后关闭温度控制环、热交换器和风机。

[0050] 循环流道材料为不锈钢，气体在两个子核心流道区11其中相向流动，泵浦光入射的位置开窗口片使泵浦光能够入射。谐振腔由全反射镜片9和激光输出镜片10组成，非球面聚焦镜8在不锈钢流道内，中央开孔，不会阻挡激光的产生，它将从侧面入射的泵浦光聚焦在轴向上，使碱金属蒸气在核心流道区产生粒子数反转。温度控制环1套在核心流道区两侧，用来控制核心流道区的温度。热交换器4位于下游流道，用于散热。风机位于流道底部，使气体流动。碱金属蒸发收集器在下游流道旁边，通过小的Y型管道与下游流道相连，用于产生和收集碱金属蒸气。挡板在准备和停止状态时置于下游流道中Y型管的中间，在工作状态时抽离。这种结构下，泵浦光、气体流动和激光都在同一方向上，并且在核心流道区气体在轴向上相向流动，获得了径向和轴向上的高度对称性，可以实现良好的模式匹配并快速散热，进而实现基模激光的输出。

[0051] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。