專利名稱：一種大功率固體激光器泵浦光的反射面設(shè)計(jì)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率固體激光器泵浦光的反射面的設(shè)計(jì)方法及裝置，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
固體激光器泵浦光的反射面是激光器的耦合表面，其作用是將泵浦源即泵浦燈所發(fā)出的光都反射到激光器工作物質(zhì)(激光晶體)上，對激光器的功率及光束質(zhì)量起著決定性的作用。
目前，大功率鏡面反射金屬腔激光器，一般采用雙燈泵浦單個(gè)激光晶體，其反射截面為純橢圓形狀，其布置為將雙燈置于雙橢圓焦點(diǎn)上，激光晶體置于重合焦點(diǎn)上，以三點(diǎn)所在直線為雙橢圓長軸方向，與長軸垂直的方向?yàn)槎梯S方向。使用這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)反射面的大功率固體激光器的效率低，光束質(zhì)量差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服了上述缺陷，提出了一種大功率固體激光器泵浦光的反射面設(shè)計(jì)方法及裝置。使用該方法設(shè)計(jì)的泵浦光反射面，能夠提高大功率燈泵浦激光器的耦合效率及光束質(zhì)量。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。首先根據(jù)使用的工作物質(zhì)7、泵浦燈4、濾紫外玻璃管6的尺寸，以及為夾持這些元件所加工裝置的最小尺寸，確定單橢圓兩焦點(diǎn)之間的距離即為橢圓2倍焦距，再由離心率e，e的取值范圍為0.3＜e＜0.5即得該單橢圓長半軸，再由橢圓公式焦距2＝長半軸2-短半軸2計(jì)算出短半軸，即可確定該單橢圓反射面，該方法設(shè)計(jì)的反射面包括有橢圓弧反射面1和圓弧發(fā)射面2，并相對于工作物質(zhì)7的中心位置對稱，具體是按以下步驟設(shè)計(jì)的1)利用反射及折射定律采用光線追跡法，確定工作物質(zhì)7的中心位置，具體確定方法為將泵浦燈4放在橢圓反射面主軸上的一個(gè)焦點(diǎn)上，泵浦燈4發(fā)出的光線經(jīng)折射、反射后再與主軸相交的交點(diǎn)即為工作物質(zhì)7的中心；2)然后確定橢圓弧反射面1和圓弧反射面2的交點(diǎn)，即反射面上的臨界點(diǎn)3，確定方法為放在橢圓反射面1焦點(diǎn)上的泵浦燈4發(fā)出的泵浦光線經(jīng)反射面反射后與套在泵浦燈4外的玻璃管6的外壁相切時(shí)，則該光線在橢圓發(fā)射面1上的入射點(diǎn)或反射點(diǎn)即為臨界點(diǎn)；3)過工作物質(zhì)7位置中心作主軸的垂線，該線與橢圓反射面1有兩交點(diǎn)即A、B，則交點(diǎn)與臨界點(diǎn)3之間的兩段橢圓弧線即為所求的橢圓弧反射面1。
4)以泵浦燈4中心即橢圓焦點(diǎn)為圓心，以兩臨界點(diǎn)為圓弧端點(diǎn)畫弧，即可得該段圓弧反射面。
5)以過工作物質(zhì)7的中心并與主軸垂直的直線AB為對稱線，畫出另一半圖形即得該整個(gè)泵浦腔反射面。
利用上述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的反射面，該放射面包括有上反射面12和下反射面13，下反射面13的中間為兩段橢圓弧反射面1，兩端為圓弧反射面2，橢圓弧反射面1和圓弧反射面2的交點(diǎn)為臨界點(diǎn)3，圓弧反射面2的中心即為橢圓反射面1的焦點(diǎn)，圓弧反射面2的半徑為橢圓反射面1的焦點(diǎn)到臨界點(diǎn)3的距離，下反射面13的兩端沿長軸方向分別設(shè)計(jì)兩個(gè)高低不同、方向相同的低臺(tái)階10、高臺(tái)階11；上反射面12和下反射面13相對于長軸對稱，上反射面12的兩端沿長軸方向設(shè)置有與下反射面13的高低相同、方向相反的臺(tái)階，上反射面12和下反射面13通過兩端的臺(tái)階能夠相互配合連接。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了泵浦腔反射面的優(yōu)化，提高激光器總電光效率和光束質(zhì)量。


圖1.發(fā)明設(shè)計(jì)的大功率固體激光器雙橢圓反射面圖2.發(fā)明設(shè)計(jì)的半反射面實(shí)體截面圖3.發(fā)明設(shè)計(jì)的雙橢圓反射面實(shí)體圖中1、橢圓弧反射面，2、圓弧反射面，3、臨界點(diǎn)，4、泵浦燈，5、冷卻水，6、玻璃管，7、工作物質(zhì)，8、橢圓長軸，9、橢圓短軸，10、低臺(tái)階，11、高臺(tái)階，12、上反射面，13、下反射面。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖1～圖3，具體說明本實(shí)施例。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下。本發(fā)明中大功率固體激光器反射面的設(shè)計(jì)方法，具體為首先根據(jù)使用的工作物質(zhì)7、泵浦燈4、濾紫外玻璃管6的尺寸，以及為夾持這些元件所加工裝置的最小尺寸，確定雙橢圓中單橢圓兩焦點(diǎn)之間的距離即為橢圓2倍焦距(即以下參數(shù)決定泵浦燈4的半徑、泵浦燈4與玻璃管6內(nèi)壁間的距離(1-2mm)、玻璃管6厚度(1-1.5mm)、套工作物質(zhì)7的玻璃管6的外徑(由工作物質(zhì)直徑及其與玻璃管內(nèi)壁的距離(與泵浦燈與玻璃管內(nèi)壁間的距離相同))、夾持和固定玻璃管的機(jī)械加工件的兩壁的厚度(小于等于玻璃管外壁之間的距離)。再由離心率(0.3＜e＜0.5)即得該單橢圓長半軸，再由橢圓公式焦距2＝長半軸2-短半軸2計(jì)算出短半軸，即可確定該單橢圓。由于泵浦光發(fā)出到反射面再到工作物質(zhì)7先后兩次經(jīng)過冷卻水及玻璃管，而冷卻水5和玻璃管6對有用的光譜的折射率不同，所以從橢圓一個(gè)焦點(diǎn)上發(fā)出的同心光束不再同心聚在另一焦點(diǎn)上，因此利用反射及折射定律采用光線追跡法確定工作物質(zhì)的中心位置。所謂的光線追跡法就是泵浦燈發(fā)出的光線穿過冷卻水5，在冷卻水5和玻璃管6的交界面上折射進(jìn)入玻璃管6，再從玻璃折射進(jìn)入空氣，在反射面上反射，其反射光線再射向工作物質(zhì)7，則與剛才的過程相反，光由空氣折射進(jìn)入玻璃管6，再從玻璃管6折射進(jìn)入冷卻水5，最后在冷卻水5與工作物質(zhì)7表面發(fā)生折射，折射后進(jìn)入工作物質(zhì)7，被工作物質(zhì)7吸收。工作物質(zhì)7中心的具體確定方法為主軸上一焦點(diǎn)上的點(diǎn)光源發(fā)出的光線經(jīng)折射、反射后再與主軸相交的交點(diǎn)即為工作物質(zhì)的中心。然后確定泵浦光一次反射到達(dá)工作物質(zhì)上時(shí)的這段橢圓弧線的端點(diǎn)，即反射面上的臨界點(diǎn)3泵浦燈發(fā)出的泵浦光線經(jīng)反射面反射后與套在泵浦燈外的玻璃管的外壁相切時(shí)，則該光線在橢圓面上的入射點(diǎn)或反射點(diǎn)即為臨界點(diǎn)。過工作物質(zhì)7位置中心作主軸的垂線，該線與橢圓反射面1有兩交點(diǎn)即A、B，則交點(diǎn)與臨界點(diǎn)3之間的兩段橢圓弧線即為所求的橢圓弧反射面1。該曲面能最大利用自聚焦橢圓面。由于玻璃管尺寸一般較大，則橢圓在長軸頂點(diǎn)處的弧線與玻璃管外壁相交，使整套裝置無法裝配，故以泵浦燈中心即橢圓焦點(diǎn)為圓心，以兩臨界點(diǎn)為圓弧端點(diǎn)畫弧，即可得該段圓弧。最后以過工作物質(zhì)7中心，與主軸垂直的直線AB為對稱線，畫出另一半圖形即得該整個(gè)泵浦腔反射面。
利用上述方法制作的反射面，具體結(jié)構(gòu)參見圖2，該放射面包括有上反射面12和下反射面13，下反射面13的中間為兩段橢圓弧反射面1，兩端為圓弧反射面2，橢圓弧反射面1和圓弧反射面2的交點(diǎn)為臨界點(diǎn)3，圓弧反射面2的中心即為橢圓反射面1的焦點(diǎn)，圓弧反射面2的半徑為橢圓反射面1的焦點(diǎn)到臨界點(diǎn)3的距離，下反射面13的兩端沿長軸方向分別設(shè)計(jì)兩個(gè)高低不同、方向相同的低臺(tái)階10、高臺(tái)階11；上反射面12和下反射面13相對于長軸對稱，上反射面12的兩端沿長軸方向設(shè)置有與下反射面13的高低相同、方向相反的臺(tái)階，上反射面12和下反射面13通過兩端的臺(tái)階能夠相互配合連接。
因更換泵浦燈之便利及激光器諧振腔設(shè)計(jì)的需要，本發(fā)明設(shè)計(jì)的大功率固體激光器反射面采用合二為一的結(jié)構(gòu)。其方法將雙橢圓體沿其長軸方向剖開，分為對稱的上反射面和下反射面，并在每個(gè)反射面長軸兩端分別設(shè)計(jì)兩個(gè)高低不同，方向相同的臺(tái)階，目的是減少泵浦腔漏光，降低激光器的域值，另外在更換泵浦燈時(shí)，只有順著臺(tái)階才能將上下反射面合為一體，防止在更換泵浦燈時(shí)將泵浦燈電極反裝。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的大功率固體激光器反射面具體結(jié)構(gòu)見圖1～3從泵浦燈4發(fā)射的泵浦光線經(jīng)冷卻水5和玻璃管6折射后，再經(jīng)橢圓反射面1和圓反射面2反射，再依次經(jīng)玻璃管6、冷卻水5折射后較為均勻地聚焦在工作物質(zhì)7上。
不同功率的激光器其反射面也不同，但其設(shè)計(jì)方法相同。則根據(jù)實(shí)際需要按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出類似于圖1所示雙橢圓反射面及圓反射面，采用黃銅為基質(zhì)材料加工成截面為圖2所示模塊，對反射面進(jìn)行拋光，達(dá)到要求光潔度時(shí)再在表面上度金屬鎳，再對鎳拋光，然后在鎳層上度純金，最后將激光晶體和兩支泵浦燈分別套上濾紫外玻璃管并放入對應(yīng)的焦點(diǎn)上，合上上下兩個(gè)反射面即得大功率固體激光器泵浦腔型。采用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)國內(nèi)尚無報(bào)道的工業(yè)大功率激光器輸出最大單脈能量達(dá)56焦耳，總電光效率高達(dá)4.2％，激光光束參數(shù)乘積達(dá)25mm.mrad.達(dá)到本發(fā)明預(yù)期目的。
權(quán)利要求
1.一種大功率固體激光器泵浦光的反射面設(shè)計(jì)方法，首先根據(jù)使用的工作物質(zhì)(7)、泵浦燈(4)、濾紫外玻璃管(6)的尺寸，以及為夾持這些元件所加工裝置的最小尺寸，確定單橢圓兩焦點(diǎn)之間的距離即為橢圓2倍焦距，再由離心率e，e的取值范圍為0.3＜e＜0.5即得該單橢圓長半軸，再由橢圓公式焦距2＝長半軸2-短半軸2計(jì)算出短半軸，即可確定該單橢圓反射面，其特征在于，該方法設(shè)計(jì)的反射面包括有橢圓弧反射面(1)和圓弧發(fā)射面(2)，具體是按以下步驟設(shè)計(jì)的1)利用反射及折射定律采用光線追跡法，確定工作物質(zhì)(7)的中心位置，具體確定方法為將泵浦燈(4)放在橢圓反射面主軸上的一個(gè)焦點(diǎn)上，泵浦燈(4)發(fā)出的光線經(jīng)折射、反射后再與主軸相交的交點(diǎn)即為工作物質(zhì)(7)的中心；2)然后確定橢圓弧反射面(1)和圓弧反射面(2)的交點(diǎn)，即反射面上的臨界點(diǎn)(3)，確定方法為放在橢圓反射面焦點(diǎn)上的泵浦燈(4)發(fā)出的泵浦光線經(jīng)反射面反射后與套在泵浦燈外的玻璃管(6)的外壁相切時(shí)，則該光線在橢圓發(fā)射面上的入射點(diǎn)或反射點(diǎn)即為臨界點(diǎn)(3)；3)過工作物質(zhì)(7)位置中心作主軸的垂線，該線與橢圓反射面有兩交點(diǎn)即A、B，則交點(diǎn)與臨界點(diǎn)之間的兩段橢圓弧線即為所求的橢圓弧反射面(1)。4)以泵浦燈中心即橢圓焦點(diǎn)為圓心，以兩臨界點(diǎn)(3)為圓弧端點(diǎn)畫弧，即可得該段圓弧反射面(2)。5)以過工作物質(zhì)(7)中心并與主軸垂直的直線AB為對稱線，畫出另一半圖形即得該整個(gè)泵浦腔反射面。
2.利用權(quán)利要求1所述的一種大功率固體激光器泵浦光的反射面設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的反射面，其特征在于該放射面包括有上反射面(12)和下反射面(13)，下反射面(13)的中間為兩段橢圓弧反射面(1)，兩端為圓弧反射面(2)，橢圓弧反射面(1)和圓弧反射面(2)的交點(diǎn)為臨界點(diǎn)(3)，圓弧反射面(2)的中心即為橢圓反射面(1)的焦點(diǎn)，圓弧反射面(2)的半徑為橢圓反射面(1)的焦點(diǎn)到臨界點(diǎn)(3)的距離，下反射面(13)的兩端沿長軸方向分別設(shè)計(jì)兩個(gè)高低不同、方向相同的低臺(tái)階(10)、高臺(tái)階(11)；上反射面(12)和下反射面(13)相對于長軸對稱，上反射面(12)的兩端沿長軸方向設(shè)置有與下反射面(13)的高低相同、方向相反的臺(tái)階，上反射面(12)和下反射面(13)通過兩端的臺(tái)階能夠相互配合連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大功率固體激光器泵浦光的反射面的設(shè)計(jì)方法及裝置，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。采用本方法設(shè)計(jì)的反射面包括橢圓弧反射面(1)和圓弧反射面(2)。具體設(shè)計(jì)方法為先采用常規(guī)的方法設(shè)計(jì)橢圓反射面，再采用光線追跡法確定工作物質(zhì)的位置，然后確定橢圓弧反射面和圓弧反射面的交點(diǎn)。過工作物質(zhì)位置中心作主軸的垂線，該線與橢圓反射面有兩交點(diǎn)，則交點(diǎn)與臨界點(diǎn)之間的兩段橢圓弧線即為所求的橢圓弧反射面。以泵浦燈中心為圓心，以兩臨界點(diǎn)為圓弧端點(diǎn)畫弧，即可得該段圓弧反射面。以過工作物質(zhì)中心并與主軸垂直的直線AB為對稱線，畫出另一半圖形即得該整個(gè)泵浦腔反射面。本發(fā)明設(shè)計(jì)反射面所得泵浦效果好，大大提高激光器輸出功率及光束質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01S3/08GK1909307SQ20061008974
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者王智勇, 劉學(xué)勝, 武強(qiáng), 蔣毅堅(jiān), 左鐵釧 申請人:北京工業(yè)大學(xué)