[發明專利]激光泵浦的流動納米顆粒稀土離子激光器

有效

• 申請號: 201210007155.9
• 申請日: 2012-01-11
• 公開（公告）號: CN102570283A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 許曉軍;張漢偉;王紅巖;楊子寧;習鋒杰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01S3/227
• 分類號: H01S3/227;B82Y20/00
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪;楊斌

技術領域

本發明屬于激光器技術領域，尤其涉及一種采用特殊增益介質的高能激光器。

背景技術

目前，隨著高能激光器在國防和工業上的廣泛應用，對獲得大能量激光輸出的探索越來越受到研究人員的重視。傳統的激光器包括增益介質、泵浦源和諧振腔三個部分。其中，泵浦源為增益介質提供能量使其激發到高能態，諧振腔則提供正反饋和耦合輸出，使受激輻射不斷放大并產生激光輸出。實際影響激光器向大功率發展的因素有泵浦源的能量以及增益介質的特性。現有的高能激光器包括化學激光器和固態激光器，而固態激光器中又包含了傳統的固體激光器和光纖激光器。一般情況下，高能激光器要解決好三個方面的問題：首先是產熱少，這樣既能提高系統的轉換效率又減輕了系統在熱管理上的負擔；其次是散熱快，這是保證激光器系統穩定工作的一個重要前提，很多高能固體激光器正是由于散熱問題得不到很好地解決而被限制了發展；最后是模體積大，只有擁有大的模體積才能確保激光器獲得足夠的增益，光纖激光器的不足就是在保證較好光束質量的前提下很難獲得大的模場體積。

化學激光器和固態激光器是最早實現百千瓦量級功率輸出的高能激光器。化學激光器是把化學反應產生的化學能作為泵浦源，可以實現高功率、高能量的輸出。化學激光器雖然容易實現高功率的激光輸出，散熱也比較容易，但是由于需要化學反應室、負壓產生裝置以及廢氣處理設備，這使其存在系統結構復雜、體積龐大、增益介質不可重復利用、有的甚至含有有毒氣體等缺點，使得化學激光器在工業等領域的廣泛應用一直受到限制。半導體泵浦的固體激光器是很有潛力的高能激光器，其泵浦源是半導體激光器，泵浦效率高、可靠性好，但是在大功率情況下，固體激光器增益介質的熱管理是比較復雜的。單塊增益介質的棒式固體激光器雖然結構相對簡單、緊湊，但是在大功率的情況下，嚴重的熱效應會導致其輸出光束發散或者畸變，造成光束質量下降，這也限制了固體激光器的高功率應用。傳統的固體激光器為了解決散熱問題，通常是把增益介質做薄、做細，或者采用分塊級聯等方式，這些技術為高能激光器的發展提供了很好的思路也取得了一定的進展，不過與現實需求仍存在一定差距。

板條式激光器、薄片式激光器和熱容激光技術的出現，雖然改善了固體激光器的熱管理，降低了熱效應對激光器的影響，但這使系統結構變得更加復雜，同時帶來了很多技術上的其他問題。

板條激光器采用的是長方體的增益介質，因此具有三組對稱面，主要可以有面泵浦、邊泵浦和端面泵浦三種泵浦方式，另外近年來也有人提出角泵浦的工作方式。面泵浦的特點是泵浦面積大，可以注入高功率的泵浦光，但是由于冷卻面與泵浦面重合，泵浦光經過冷卻介質會產生一定的吸收和散射，同時冷卻介質容易污染泵浦面，降低泵浦效率。邊泵浦具有較高的泵浦效率，同時泵浦面與冷卻面分離，但是邊泵浦存在較嚴重的熱光效應，而且泵浦面相對較小，難以注入高功率的泵浦光。端面泵浦方式與傳統的棒式激光器相同，令泵浦光從晶體的端面入射，但其仍然存在熱透鏡效應，而且要求泵浦光要進行整形，使系統的設計和結構都變得更復雜。角泵浦可以使泵浦光在晶體介質中多次通過，以達到均勻泵浦的目的，但是泵浦的面積小，而且在大功率下對鍍膜的要求也比較高。板條激光器工作時通常是讓激光在介質中呈“之”字形傳播，以補償厚度方向上由于熱梯度引起的熱畸變，但這對兩個板條反射面的平行度、光潔度的加工提出很高的要求，同時機械的裝配和安裝也比較復雜。

薄片式激光器的介質棒的長度遠小于其直徑，具有大的口徑/厚度比。薄片式激光器采用的是面泵浦，面冷卻的工作方式，因此其溫度梯度方向平行于光軸，由此引起的折射率變化與徑向無關，所以光束沿光軸傳輸時在徑向上幾乎沒有相移，在大功率情況下具有較好的光束質量，同時熱透鏡效應也可以忽略。其缺點是，光學設計比較復雜，元器件較多，對系統的穩定性產生了較大影響，另外在大功率條件下，要求在很小的面積內將幾千瓦的熱量帶走，這給散熱系統的設計增加了難度。