本發(fā)明屬于堿金屬激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器用復(fù)合壁面密閉管腔。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器泵浦堿金屬蒸氣激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Laser,DPAL)具有飽和增益大、理論斯托克斯效率和光-光轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、激光介質(zhì)無毒、后期處理容易、激光輸出線寬窄、輸出波長位于常規(guī)光電探測器的響應(yīng)波段內(nèi)(銫(Cs)：894.95nm；銣(Rb)：794.98nm；鉀(K)：770.11nm)等優(yōu)點。由于可以通過氣態(tài)介質(zhì)的流動帶走激光器內(nèi)所產(chǎn)生的大部分熱量，因此激光器的熱效應(yīng)可以得到有效的抑制。近年來，半導(dǎo)體激光器泵浦堿金屬蒸氣激光器越來越受到各國的重視并得到了迅猛的發(fā)展，已經(jīng)逐漸成了進入新世紀以來發(fā)展速度最快的新型激光器之一。

半導(dǎo)體激光器泵浦堿金屬蒸氣激光器的堿金屬蒸氣介質(zhì)中需要加入烷烴類小分子(如甲烷和乙烷等)作為緩沖氣體來加快激光上能級的弛豫速率。另外，還需要加入緩沖氣體氦氣來展寬對泵浦光的吸收線寬。這些緩沖氣體和呈蒸氣態(tài)的堿金屬原子需要密封在一個閉合的玻璃容器中。

雖然采用端面泵浦結(jié)構(gòu)可以獲得較高的光束耦合效率和吸收效率(>90％)，但是在高功率泵浦時這樣的結(jié)構(gòu)存在著入射端窗處匯聚的激光功率密度過大等問題，蒸氣管腔的入射端所吸收的泵浦光功率將遠大于出射端，這將導(dǎo)致光軸方向上泵浦密度的不平衡，不僅會使激光介質(zhì)的利用率大幅下降，嚴重時還將導(dǎo)致入射端窗的直接破壞。與端面泵浦結(jié)構(gòu)不同，側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中泵浦光與激光互相正交，可在光軸方向上通過加長激光介質(zhì)來增加泵浦光的吸收總量，這將有利于大幅提升DPAL的輸出功率。另外，側(cè)面泵浦方式還可以大幅提高蒸氣管腔的溫度控制效率，減少泵浦光對透明蒸氣管腔的損壞幾率。因此，普遍認為側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)是高功率堿金屬蒸氣激光器未來主要的發(fā)展方向。

相對于端面泵浦激光器，側(cè)面泵浦激光器具有較短的泵浦距離，這有可能導(dǎo)致堿金屬蒸氣對半導(dǎo)體激光泵浦能量的不完全吸收，容易造成泵浦能量的浪費。為提高泵浦能量的利用率，可以考慮在蒸氣管腔的內(nèi)側(cè)面鍍一層高反膜，使泵浦光在蒸氣管腔內(nèi)多次往返。但是，采用這種結(jié)構(gòu)將會帶來其他更加嚴重的問題。一方面，將會導(dǎo)致經(jīng)高反膜反射回蒸氣管腔內(nèi)的的泵浦光的一部分返回到泵浦半導(dǎo)體激光器的內(nèi)部，這將影響半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特性并減少激光器的發(fā)光壽命；另一方面，由于半導(dǎo)體激光泵浦堿金屬蒸氣激光器的飽和增益非常大，所鍍的高反膜將會在蒸氣管腔內(nèi)部產(chǎn)生嚴重的寄生振蕩，這將大幅損耗半導(dǎo)體激光的轉(zhuǎn)換效率，降低DPAL的輸出功率。為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器用復(fù)合壁面密閉管腔的設(shè)計方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是：針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器用復(fù)合壁面密閉管腔，以提高泵浦源利用率，提高DPAL系統(tǒng)的輸出功率。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器用復(fù)合壁面密閉管腔，其包括：堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7和位于堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7兩端的端窗10，堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7的內(nèi)壁面設(shè)置打毛區(qū)域8，打毛區(qū)域8做打毛處理，堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7的外壁面鍍對應(yīng)泵浦波長的高反膜5，形成高反膜區(qū)域9，高反膜5與打毛區(qū)域8位置相對應(yīng)，相鄰的高反膜5之間的非鍍膜區(qū)域6作為半導(dǎo)體泵浦光束入射用區(qū)域。

其中，所述密閉管腔內(nèi)部設(shè)置工作介質(zhì)。

其中，所述工作介質(zhì)為堿金屬增益介質(zhì)。

其中，所述密閉管腔內(nèi)充入緩沖氣體，緩沖氣體為氦氣、甲烷、乙烷、丙烷或幾種上述氣體的混合氣體。

本發(fā)明還提供一種側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器系統(tǒng)，其包括：密閉管腔，套設(shè)在密閉管腔外部的圓筒加熱-溫控環(huán)4，圓筒加熱-溫控環(huán)4上開設(shè)有半導(dǎo)體泵浦光束射入口，設(shè)置在每個半導(dǎo)體泵浦光束射入口外側(cè)的激光光源系統(tǒng)；半導(dǎo)體泵浦光束射入口與密閉管腔上的非鍍膜區(qū)域6位置相對應(yīng)。

其中，每個所述激光光源系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光泵浦光源1、布拉格體光柵2、光束整形透鏡組3。

其中，所述激光光源系統(tǒng)的數(shù)量以設(shè)置的半導(dǎo)體激光側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)的需要為準。

其中，所述激光器系統(tǒng)采用三方向泵浦方式，設(shè)置三個激光光源系統(tǒng)，三個激光光源系統(tǒng)均勻分布在圓筒式加熱-溫控環(huán)4外部。

其中，所述圓筒式加熱-溫控環(huán)4和密閉管腔之間墊入高效傳熱介質(zhì)。

其中，所述圓筒式加熱-溫控環(huán)4的側(cè)表面設(shè)置數(shù)個細長形狹縫作為半導(dǎo)體泵浦光束射入口，以透過半導(dǎo)體激光的泵浦能量。

(三)有益效果

上述技術(shù)方案所提供的側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器用復(fù)合壁面密閉管腔，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明中，蒸氣管腔的外側(cè)面鍍高反膜，可以將傳輸至管腔外壁的泵浦光高效折返回管腔內(nèi)，可以實現(xiàn)泵浦光在腔內(nèi)多次反射以充分利用泵浦能量。

(2)本發(fā)明中，蒸氣管腔的內(nèi)側(cè)面實施打毛處理，可以確保返回管腔的泵浦光不會直接進入半導(dǎo)體激光器泵浦源，在不影響泵浦源輸出穩(wěn)定性和使用壽命的前提下，得到盡可能高的泵浦源利用率。

(3)本發(fā)明可以有效抑制蒸氣腔內(nèi)部的寄生振蕩，有效減少與之相關(guān)的泵浦能量損耗以及相應(yīng)的熱負擔，有利于提高DPAL系統(tǒng)的輸出功率。

(4)本發(fā)明可以提高與光軸正交的橫截面內(nèi)的泵浦均勻性，這有利于構(gòu)建高功率、高光束質(zhì)量的堿金屬蒸氣激光系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為是堿金屬密閉管腔、泵浦系統(tǒng)和加熱—溫控系統(tǒng)的橫截面示意圖。

圖2是堿金屬蒸氣管腔三維結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

為了提高側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器對泵浦光的利用率，提出了一種半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器用復(fù)合壁面密閉管腔的設(shè)計方案。圖1為與本發(fā)明實施例相關(guān)的堿金屬密閉管腔、側(cè)面泵浦系統(tǒng)和加熱—溫控系統(tǒng)的橫截面示意圖，圖2為與本發(fā)明實施例相關(guān)的核心部件堿金屬蒸氣管腔的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明所涉及的側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器用復(fù)合壁面密閉管腔結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括：堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7和位于堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7兩端的端窗10，堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7的內(nèi)壁面設(shè)置打毛區(qū)域8，打毛區(qū)域8做打毛處理，堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7的外壁面鍍對應(yīng)泵浦波長的高反膜5，形成高反膜區(qū)域9，高反膜5與打毛區(qū)域8位置相對應(yīng)，相鄰的高反膜5之間的非鍍膜區(qū)域6作為半導(dǎo)體泵浦光束入射用區(qū)域。

所述密閉管腔內(nèi)部設(shè)置工作介質(zhì)。所述工作介質(zhì)為堿金屬增益介質(zhì)。

密閉管腔內(nèi)充入緩沖氣體，為氦氣、甲烷、乙烷、丙烷或幾種上述氣體的混合氣體。

在本實施例中，通過在密閉管腔內(nèi)壁設(shè)打毛區(qū)域，在外壁面鍍高反膜，可以使被堿金屬蒸氣吸收后的剩余泵浦光照射到管腔內(nèi)側(cè)面時使得泵浦光發(fā)生漫反射，一部分反射回蒸氣管腔內(nèi)的光能可以再次參與泵浦過程；另一部分透射到管壁內(nèi)的泵浦光被管腔外側(cè)面以極高的反射率折返回管壁內(nèi)，然后再次經(jīng)過蒸氣管腔的內(nèi)側(cè)面，以漫散射的形式折回到管腔內(nèi)部。用以解決增益介質(zhì)管腔直徑較小，泵浦光單程吸收能力有限，直接反射時泵浦光將會進入半導(dǎo)體激光器內(nèi)部改變其發(fā)光特性，以及側(cè)面容易產(chǎn)生寄生振蕩的問題。

基于上述密閉管腔，參照圖2所示，本實施例還提供一種側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器系統(tǒng)，包括：密閉管腔，套設(shè)在密閉管腔外部的圓筒加熱-溫控環(huán)4，圓筒加熱-溫控環(huán)4上開設(shè)有半導(dǎo)體泵浦光束射入口，設(shè)置在每個半導(dǎo)體泵浦光束射入口外側(cè)的激光光源系統(tǒng)；半導(dǎo)體泵浦光束射入口與密閉管腔上的非鍍膜區(qū)域6位置相對應(yīng)。

每個激光光源系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光泵浦光源1、布拉格體光柵2、光束整形透鏡組3。

激光光源系統(tǒng)的數(shù)量以設(shè)置的半導(dǎo)體激光側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)的需要為準。

本實施例中，優(yōu)選采用三方向泵浦方式，設(shè)置三個激光光源系統(tǒng)，三個激光光源系統(tǒng)均勻分布在圓筒式加熱-溫控環(huán)4外部。

根據(jù)實際需要，可以在圓筒式加熱-溫控環(huán)4和密閉管腔之間墊入高效傳熱介質(zhì)。

圓筒式加熱-溫控環(huán)4的側(cè)表面設(shè)置數(shù)個細長形狹縫作為半導(dǎo)體泵浦光束射入口，以透過半導(dǎo)體激光的泵浦能量。

本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體激光側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器用復(fù)合壁面密閉管腔的設(shè)計方案。首先，在該蒸氣管腔的內(nèi)側(cè)面進行打毛處理，這樣可以使泵浦光照射到管腔內(nèi)側(cè)面時發(fā)生漫反射，經(jīng)過漫反射后的泵浦光不會直接反射回半導(dǎo)體激光器泵浦源，這樣就避免了對半導(dǎo)體激光泵浦源激光模式和輸出穩(wěn)定性的影響。此外，蒸氣管腔內(nèi)側(cè)面的打毛處理還可以有效抑制堿金屬蒸氣管腔內(nèi)部的寄生振蕩。然后，該蒸氣管腔的外側(cè)面鍍有一層針對泵浦激光中心波長的高反膜，這樣可以將傳輸至外側(cè)壁的泵浦光全部折返回蒸氣管腔內(nèi)。線寬經(jīng)過壓窄的半導(dǎo)體激光光束經(jīng)準直—聚焦系統(tǒng)后在堿金屬蒸氣腔內(nèi)經(jīng)過多次往返，泵浦能量可以得到充分地利用。這樣處理的結(jié)果，可以在不影響半導(dǎo)體激光泵浦源發(fā)光特性的前提下，大幅提高半導(dǎo)體激光泵浦源的使用效率，同時還能有效抑制堿金屬蒸氣腔內(nèi)部的寄生振蕩。

本發(fā)明一種側(cè)面泵浦堿金屬蒸氣激光器系統(tǒng)中，半導(dǎo)體激光光源1發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過布拉格體光柵2、光束整形透鏡組3、蒸氣管腔外側(cè)面半導(dǎo)體激光泵浦光束入射用的非鍍膜區(qū)域6、堿金屬蒸氣密閉管腔側(cè)壁7、蒸氣管腔內(nèi)側(cè)面半導(dǎo)體激光泵浦光束入射用的非打毛區(qū)域9后入射至蒸氣管腔的內(nèi)部，未被堿金屬蒸氣態(tài)介質(zhì)完全吸收的泵浦光入射至另一側(cè)蒸氣管腔內(nèi)側(cè)面的打毛區(qū)域8后一部分發(fā)生漫反射，被反射的泵浦光再次反射到密閉蒸氣管腔內(nèi)被堿金屬蒸氣態(tài)介質(zhì)二次吸收，而沒有被漫反射的部分則透射到堿金屬蒸氣管腔7的管壁內(nèi)部，經(jīng)蒸氣管腔外側(cè)面所鍍的高反膜5反射后，再次進入管腔內(nèi)被堿金屬蒸氣態(tài)介質(zhì)吸收。如此過程可以多次循環(huán)發(fā)生，泵浦光可以被重復(fù)吸收和利用。

由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下顯著特點：

1、本發(fā)明蒸氣管腔外側(cè)面所鍍的高反膜，可以將傳輸至蒸氣管腔外側(cè)面的泵浦光反射回管腔內(nèi)部，使這部分泵浦光束在管腔內(nèi)部得以多次往返，可以使泵浦能量被堿金屬蒸氣充分吸收。這樣做可以提高與光軸正交的橫截面內(nèi)的泵浦均勻性，有利于構(gòu)建高光束質(zhì)量的堿金屬蒸氣激光系統(tǒng)。

2、該蒸氣管腔外側(cè)面半導(dǎo)體激光泵浦光束入射用的非鍍膜區(qū)域，可以使半導(dǎo)體激光泵浦以較低損耗入射至堿金屬蒸氣管腔內(nèi)部。

3、該堿金屬蒸氣管腔內(nèi)側(cè)面的打毛區(qū)域，可以使未被堿金屬蒸氣態(tài)介質(zhì)完全吸收的泵浦光照射到管腔內(nèi)側(cè)面時發(fā)生漫反射，一部分泵浦光被漫反射回蒸氣管腔內(nèi)再次泵浦激光介質(zhì)，而另一部分透射到蒸氣管腔側(cè)壁內(nèi)的泵浦光經(jīng)蒸氣管腔外側(cè)面所鍍的高反膜反射后折回蒸氣管腔內(nèi)。這樣，可以確保折回至管腔的泵浦光的絕大部分不會直接進入半導(dǎo)體激光器泵浦源，有利于提高泵浦源的輸出穩(wěn)定性和使用壽命，同時可以得到較高的泵浦能量利用率。另外，還可以有效抑制蒸氣腔內(nèi)部的寄生振蕩，減少與之相關(guān)的熱負擔，有利于提高DPAL系統(tǒng)的輸出功率。

4、該蒸氣管腔內(nèi)側(cè)面半導(dǎo)體激光泵浦光束入射用的非打毛區(qū)域，可以使半導(dǎo)體激光泵浦光低損耗地入射至堿金屬蒸氣管腔內(nèi)部。

5、本系統(tǒng)可以有效抑制高增益激光介質(zhì)在蒸氣腔內(nèi)的寄生振蕩，有效減少因寄生振蕩對泵浦能量的損耗和所帶來的熱負擔，以提高激光的功率輸出；可以將未被吸收的泵浦光能量多次高效地反射回密閉蒸氣管腔內(nèi)，有利于增強泵浦利用率，提高光—光轉(zhuǎn)換效率；可以提高與光軸正交的橫截面內(nèi)的泵浦均勻性，有利于構(gòu)建高光束質(zhì)量、高功率的堿金屬蒸氣激光系統(tǒng)；可以確保返回管腔的絕大部分泵浦光不會直接返回泵浦半導(dǎo)體激光器，有利于提高半導(dǎo)體激光泵浦源的輸出穩(wěn)定性和使用壽命。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。