一种固体激光器中增益介质的冷却方法及低内热固体激光器

摘要

本发明公开了一种固体激光器中增益介质的冷却方法及低内热固体激光器。设置可分别调节光强、脉宽和重复率的激光泵浦光源和致冷泵浦光源，与所述激光泵浦光源对应的增益介质和与致冷泵浦光源对应的致冷介质是同一块掺有稀土离子的晶体，通过时序信号电路和增益开关，控制“激光致冷”和“激光振荡”两种物理过程交替或同时运行，使超辐射对介质的致冷量与激光振荡产生的热量近似抵消；使激光谐振腔内的激光沿晶体的“无热”方向传播，减弱晶体中剩余温度梯度所引起的热透镜效应。本发明把增益介质中的废热转换成反斯托克斯散射光子，散热快、剩余温度梯度小；用主泵浦光束和辅助泵浦光束(脉冲)诱导晶体发射超辐射。超辐射的致冷效率优于已有激光致冷器中荧光的致冷效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体激光器中增益介质的冷却方法及低内热固体激光器。

背景技术

已有的固体激光器中，增益介质的热效应(特别是热透镜效应)影响输出光束质量的问题，是阻止激光器提升输出功率水平的技术难关之一。200710188442.3公开了一种二极管泵浦固体激光器中晶体热管热沉制冷方法。热管由液体工质、管壳和管芯组成，液体工质将激光晶体内的高密度废热传导至冷源。200610119575.0公开了一种固体薄片激光器的冷却结构。该激光器由多个模块组成，其中每个模块由两个平行放置的增益介质薄片构成，介质薄片的侧面分别附着两个金刚石热沉，实现对高功率薄片激光介质的冷却，在改善其内部的应力分布同时，有效减小介质薄片的变形。

上述两种方法的散热思路是用传热学的方法“把废热从A处转移到B处”，其缺点是对介质的致冷效率不够高，且热沉紧贴介质会加大介质内部的应力以及应力分布的非均匀性，难以满足高功率激光器对增益介质降温的迫切需求。

“激光致冷”不需要在增益介质上附加热管或金刚石热沉，是冷却固体激光器的新的技术途径。已有激光致冷器中，是用单一泵浦光束照射晶体，使晶体内部产生起散热作用的反斯托克斯荧光。在现有激光致冷器中，还没有采用双泵浦光束激发超辐射、直接从增益介质内部移出废热的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体激光器中增益介质的冷却方法及由这种方法制成的低内热固体激光器。以实现激光振荡和激光致冷两种物理过程交替(或同时)发生，达到直接从增益介质内部移出废热，减小增益介质中的热沉积量的目的。

本发明的固体激光器中增益介质的冷却方法是：设置可分别调节光强、脉宽和重复率的激光泵浦光源和致冷泵浦光源，与所述激光泵浦光源对应的增益介质和与致冷泵浦光源对应的致冷介质是同一块掺有稀土离子的晶体，通过时序信号电路和增益开关的控制，“激光致冷”和“激光振荡”两种物理过程交替或同时运行，使超辐射对介质的致冷量与激光振荡产生的热量近似抵消；使激光谐振腔内的激光沿晶体的“无热”方向传播，减弱晶体中剩余温度梯度所引起的热透镜效应。

所述同一块掺有稀土离子的晶体的外形是厚度不大于2mm的薄片或长条，在半导体二极管激光的泵浦下，稀土离子产生近红外激光振荡，且腔内激光的传播方向与晶体的“无热”方向平行，使晶体热胀膨所引起的光程正向变化和温度梯度导致折射率变化所引起的光程负向变化相抵消，理论上沿谐振腔光轴方向的热透镜效应为零。

所述掺有稀土离子的晶体的掺杂方式分为单成份掺杂和双成份掺杂两种基本类型，主要掺杂成份是镱、钕或铥。

用上述冷却方法制成的低内热固体激光器，包括激光振荡部件和激光致冷部件，所述激光振荡部件包括产生粒子数反转的泵浦光源、激光输出镜、全反射镜，其特征在于，激光振荡部件的增益介质和致冷部件中的致冷介质是同一块掺有镱、钕或铥的晶体；所述激光致冷部件包括照射晶体的致冷泵浦光源，采用时序信号电路和增益开关，控制“激光振荡”和“激光致冷”两种物理过程交替运行。

所述致冷泵浦光源包括发射主泵浦光束和辅助泵浦光束的两种光源，所述主泵浦光束是连续光束或脉宽大于微秒量级的光束，数量为二个至数十个，在固体激光介质中均匀分布，其波长大于反斯托克斯散射光的波长；所述辅助泵浦光束是脉冲光，波长近似等于反斯托克斯散射光的波长。

本发明的低内热固体激光器的基本构形分为：片状介质侧面泵浦型，条形介质侧面泵浦型和条形介质端面泵浦型。

本发明的优点是：(1)采用双泵浦光束激发超辐射、冷却增益介质，超辐射的致冷效率优于已有激光致冷器中普通荧光的致冷效率；(2)激光泵浦光源与致冷泵浦光源各司其职，便于分别调节激光振荡条件与致冷条件，即激光发射装置粒子数反转状态和致冷装置反斯托克斯散射状态互不影响，便于达到致冷量和激光晶体发热量近似相消的条件；(3)以激光致冷方式直接从增益介质内部移出废热，降低增益介质内部温度和减小温度梯度的效果优于传导和对流方式，以晶体的“无热”方向作为腔内激光的传播方向，理论上沿谐振腔光轴方向的热透镜效应为零。

附图说明

图1为实施例1片状低内热激光器的结构图；

图2为以主泵浦光束和辅助泵浦光束(脉冲光束)在致冷介质中诱导超辐射的示意图；

图3为双掺杂晶体中Nd³⁺激光振荡跃迁过程和Yb³⁺致冷跃迁过程的示意图；

图4为实施例2条形低内热激光器的结构图；

图5激光晶体Yb³⁺：KGd(WO₄)₂的“无热”方向及晶体切割方式示意图；

图6为激光振荡和激光致冷两种部件组合为一体、交替或同时运行的控制电路方框图。

具体实施方法

实施例1：侧面泵浦片状低内热激光器

对照图1：片状激光器中，激光振荡部件和激光致冷部件组合为一体。激光振荡部件包括：增益介质2，产生粒子数反转的泵浦光源4a、4b，激光输出镜1a、全反射镜1b，近红外激光输出光束3a。激光致冷部件包括：致冷介质，主泵浦光源5a、5b，辅助泵浦(脉冲)光源6a、6b。激光致冷部件的致冷介质就是增益介质2，即激光增益介质兼作为激光致冷介质，其掺杂方式分为单成份掺杂和双成份掺杂两种基本类型。

1.激光增益介质兼作致冷介质

单成份掺杂增益介质是Yb³⁺：KGd(WO₄)₂晶体(以下简称Yb³⁺：KGW)，镱离子掺杂浓度典型值2.1×10²⁰ions/cm³。增益介质典型尺寸：厚2mm，直径8mm。泵浦方式为激光二极管侧面泵浦。半导体激光二极管巴条的功率典型值为25W，中心波长约为1μm。泵浦光束聚焦到圆片侧面1.5×8mm的区域。图1示出两台泵浦光源4a、4b的安装方法。实际装置中，数十个巴条发射泵浦光束，以入射角6—8度的间隔均匀照射增益介质的圆环侧边。在泵浦密度约为5kW/cm²条件下，激光输出功率400W量级，波长为1047nm。整个装置的发热量很少，不大于泵浦能量的3％。

增益开关1c和时序信号电路配合，控制“激光振荡”和“激光致冷”两种物理过程交替运行。具体控制方式将在实施例2中陈述。

2.用主泵浦光束和辅助泵浦光束诱导超辐射，从介质中移出废热

对照图1和图2：与激光诱导超辐射的致冷过程的跃迁能级如图3(左)所示，主泵浦光源5a、5b发射连续光束P(或脉宽大于微秒量级的光束)，以侧泵方式进入介质2，将粒子从能级E₁抽运到能级E_2a。由于介质中子能级之间存在能E_2a到E_2b的非辐射(热激发)过程R，粒子从上能级E_2b跃迁到基态能级G所辐射的反斯托克斯光子A的能量，大于泵浦光子P的能量(光子A的能量等于泵浦光子P的能量与声子能量之和)。声子能量与驰豫过程R(介质热运动状态)有关，因此，图2中跃迁过程可移出致冷介质中沉积的热量。

辅助泵浦光源6a、6b发射纳秒量级短脉冲光束P′，起诱导超辐射的作用。P′沿多粒子体系的合作自发发射效应最强的方向照射介质2的侧面，起到增大超辐射通道数量的作用。辅助泵浦光源6a、6b的脉宽及重复率与超辐射脉冲的驰豫时间相匹配。

对照图3：与激光振荡过程相关的跃迁能级如图3(左)所示，P1是泵浦光，R₃₂表示非辐射驰豫过程，L1表示Nd³⁺发射的激光振荡。

与激光致冷过程相关的跃迁能级如图3(右)所示，是波长与Nd³⁺激光L1相同(或相近)的泵浦光，将Yb³⁺从能级1的子能级E′_1b抽运到能级2的子能级E′_2a。

A2表示Yb³⁺发射的反斯托克斯散射光子。由于存在非辐射(热激发)过程R1、R2，使得A2跃迁的能量大于和P₂跃迁的能量，散射光子A2对介质起致冷作用。

辅助泵浦光束和主泵浦光束P₂的波长不同(其波长与A2相同)，起增强超辐射的作用。辅助泵浦光束照射致冷介质的入射方向，是多粒子体系的合作自发发射效应最强的方向。

3.装置的特点

(1)激光振荡和激光致冷两种装置合为一体，但激光泵浦光源和致冷泵浦光源的光强、脉宽和重复率可分别调节，便于选择和调节“粒子数反转”条件和“反斯托克斯散射”条件，使整个装置处于“超辐射致冷量”和“介质发热量”近似抵消的低内热状态。克服了已有“无内热”激光器运行状态可调节的因素少、增益介质内部难以自动实现热平衡等缺点。

(2)本发明用超辐射为主要散热方式，移出增益介质内部的废热。克服了传导和对流散热方式只能降低介质表面温度、不能有效地减小增益介质内部的温度梯度等缺点。已有激光致冷器的荧光致冷效率与受激发粒子数成正比，而超辐射的致冷效率与受激发粒子数的平方成正比，后者的致冷效率明显优于前者的致冷效率。

实施例2：侧面泵浦条形低内热激光器

对照图4：条形激光器由激光振荡和激光致冷两种部件组合而成。激光振荡部件包括：掺Yb或Nd增益介质2，产生粒子数反转的泵浦光源4a、4b和谐振腔(激光输出镜1a、全反射镜1b)。近红外激光输出光束如3所示。激光致冷部件包括：致冷介质。主泵浦光源5a、5b，辅助泵浦(脉冲)光源6a、6b。激光致冷泵浦光源5a、5b从侧面泵浦介质2，光路如图4所示。泵浦光源5a、5b与光源6a、6b配合，诱导超辐射、提高致冷效率的原理，如图2所示。诱导超辐射的辅助泵浦光束(脉冲)6a、6b从侧边入射到介质2内部，达到诱导超辐射和增多超辐射传播通道的目的。图4中，显示了两种可选的辅助泵浦光源入射方式。光束6a、6b的入射路径略有不同，增强超辐射的效果相近。

1.条形低内热激光器的激光增益介质兼作致冷介质

Yb³⁺：KGW晶体不仅是性能优良的激光增益介质，也是致冷性能很好的荧光致冷材料。本实施例的激光振荡以及激光致冷条件与例一相同，但器件构形不同。

Yb³⁺：KGW晶体中，镱离子掺杂浓度典型值2.1×10²⁰ions/cm³。增益介质的典型尺寸为1mm×2mm×5mm。选取泵浦光波长为1001nm，偏振方向为E//m，腔内泵浦光光强大约在3.2—3.5kW/cm²之间。选择激光E与p(b)轴正交的偏振方向，则激光波长为1039nm时具有最大的小信号增益值，且此时要求的泵浦功率不高，容易实现。该晶体发射的反斯托克斯光的平均波长约为995nm，起光学致冷作用。

2.腔内激光沿晶体的无热方向传播，达到消除热透镜效应的目的

Yb³⁺：KGd(WO₄)₂晶体是空间群为C2/c的单斜晶体。在热学和光学方面具有明显的各向异性。表1是晶体热膨胀系数测量值，表2是晶体折射率随温度的变化率的测量值。

表1晶体沿折射率主轴(m，p，g)和晶轴(a，c)等五个方向的热膨胀系数测量值

^a表中划横线表示原始资料没有给出这个方向的热膨胀系数测量值。

表2 Yb³⁺：KGW晶体主折射率n和其折射率随温度的变化率dn/dT测量值

利用该晶体热膨胀系数各向异性和折射率温度梯度为负值的特点，可找到光程不随温度变化的光传播方向。这个特定方向不发生热透镜效应，被称之为“无热”方向。

图5是Yb³⁺：KGd(WO₄)₂晶体的“无热”方向及晶体切割方式示意图。本实施例中，激光取m偏振方向(p偏振)，在p-g平面与p轴夹角为±21.4度的方向，是该晶体的“无热”方向(用AD代表)。作为参考，用虚线在图中标示位于m-g平面内的晶轴方向c。晶轴方向a与AD方相差较小，为避免混淆，在图中省略了晶轴a的标示线。

在应用中，激光在晶体中传播的实际方向不一定等于“无热”方向的理论值。利用激光实际传播方向与p轴夹角为17度的某样品的测量数据，计算温度变化引起光程变化(即热光特性)，结果为：沿p轴(m偏振)传播方向，单位光程变化为-5.2×10^-6K^-1，沿AD(p偏振)方向，单位光程变化为2.6×10^-6K^-1。两传播方向上单位光程变化的绝对值相差约1倍(即，热透镜效应很小，但17度并不是真正的无热方向，其热透镜效应依然存在)。

3.条形低内热固体激光器的运行方式

在本实施例(以及实施例1)中，激光振荡和激光致冷两种部件组合为一体。对照图6、图4(以及图1)，用时序信号驱动增益开关1c，控制激光振荡的起振和停振。用时序信号电路分别控制致冷部件中主泵浦光源5a、5b、辅助泵浦(脉冲)光源的发光时刻及脉宽。根据致冷效果选择适当的运行时序，使“激光振荡”和“激光致冷”两种物理过程交替运行。图6右边的运行时序图是间歇式致冷的一个典型例子。

4.装置的特点

条形激光器的主要技术特点与实施例一(片状激光器)基本相同。独有的特点是：

在激光谐振腔的光轴与无热方向平行的条件下，晶体热膨胀导致的晶体长度变化带来的光程变化和折射率温度梯度引入的折射率变化带来的光程变化相互抵消。晶体的热透镜效应近似为零。

激光传播方向与晶体的“无热”方向相近时，即使增益介质内存在剩余温度梯度，本发明装置的热透镜效应仍然弱于相同致冷状态下其它激光器的热透镜效应。

说明1：为了使激光振荡和激光致冷均处于最佳状态。本发明中，四个波长(激光振荡波长、泵浦波长以及超辐射波长、致冷泵浦波长)取值十分接近。例如，激光振荡波长、泵浦波长之差约10nm量级。致冷主泵浦光束的波长与反斯托克斯荧光的波长之差约为几倍KT(K是波尔兹曼常数，T为介质温度)。

图4中，光束7表示端面泵浦光束。端面泵浦对泵浦能量的利用率高，但对腔镜的镀膜指标有苛刻要求：在泵浦光入射端，既要对泵浦光波长保持高透、又要对激光振荡波长保持高反。两种波长取值接近时，镀膜难度很大。

侧面泵浦方式的效率较低。但侧面泵浦可避免对腔镜镀膜指标提出苛刻要求。

说明2：所述的固体激光装置的另一种用途，其特征在于：(1)图1和图4装置中，谐振腔镜被停用，且其余器件的使用方法无变化；(2)所述装置作为激光放大器使用。即，在同一激光晶体中，激光放大和激光致冷两种物理过程交替(或同时)发生，使增益介质处于低内热运行状态。