专利名称：激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种采用特殊增益介质的高能激光器。
背景技术：
目前，随着高能激光器在国防和工业上的广泛应用，对获得大能量激光输出的探索越来越受到研究人员的重视。传统的激光器包括增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分。其中，泵浦源为增益介质提供能量使其激发到高能态，谐振腔则提供正反馈和耦合输出，使受激辐射不断放大并产生激光输出。实际影响激光器向大功率发展的因素有泵浦源的能量以及增益介质的特性。现有的高能激光器包括化学激光器和固态激光器，而固态激光器中又包含了传统的固体激光器和光纤激光器。一般情况下，高能激光器要解决好三个方面的问题首先是产热少，这样既能提高系统的转换效率又减轻了系统在热管理上的负担；其次是散热快，这是保证激光器系统稳定工作的一个重要前提，很多高能固体激光器正是由于散热问题得不到很好地解决而被限制了发展；最后是模体积大，只有拥有大的模体积才能确保激光器获得足够的增益，光纤激光器的不足就是在保证较好光束质量的前提下很难获得大的模场体积。化学激光器和固态激光器是最早实现百千瓦量级功率输出的高能激光器。化学激光器是把化学反应产生的化学能作为泵浦源，可以实现高功率、高能量的输出。化学激光器虽然容易实现高功率的激光输出，散热也比较容易，但是由于需要化学反应室、负压产生装置以及废气处理设备，这使其存在系统结构复杂、体积庞大、增益介质不可重复利用、有的甚至含有有毒气体等缺点，使得化学激光器在工业等领域的广泛应用一直受到限制。半导体泵浦的固体激光器是很有潜力的高能激光器，其泵浦源是半导体激光器，泵浦效率高、可靠性好，但是在大功率情况下，固体激光器增益介质的热管理是比较复杂的。单块增益介质的棒式固体激光器虽然结构相对简单、紧凑，但是在大功率的情况下，严重的热效应会导致其输出光束发散或者畸变，造成光束质量下降，这也限制了固体激光器的高功率应用。传统的固体激光器为了解决散热问题，通常是把增益介质做薄、做细，或者采用分块级联等方式，这些技术为高能激光器的发展提供了很好的思路也取得了一定的进展，不过与现实需求仍存在一定差距。板条式激光器、薄片式激光器和热容激光技术的出现，虽然改善了固体激光器的热管理，降低了热效应对激光器的影响，但这使系统结构变得更加复杂，同时带来了很多技术上的其他问题。板条激光器采用的是长方体的增益介质，因此具有三组对称面，主要可以有面泵浦、边泵浦和端面泵浦三种泵浦方式，另外近年来也有人提出角泵浦的工作方式。面泵浦的特点是泵浦面积大，可以注入高功率的泵浦光，但是由于冷却面与泵浦面重合，泵浦光经过冷却介质会产生一定的吸收和散射，同时冷却介质容易污染泵浦面，降低泵浦效率。边泵浦具有较高的泵浦效率，同时泵浦面与冷却面分离，但是边泵浦存在较严重的热光效应，而且泵浦面相对较小，难以注入高功率的泵浦光。端面泵浦方式与传统的棒式激光器相同，令泵浦光从晶体的端面入射，但其仍然存在热透镜效应，而且要求泵浦光要进行整形，使系统的设计和结构都变得更复杂。角泵浦可以使泵浦光在晶体介质中多次通过，以达到均勻泵浦的目的，但是泵浦的面积小，而且在大功率下对镀膜的要求也比较高。板条激光器工作时通常是让激光在介质中呈“之”字形传播，以补偿厚度方向上由于热梯度引起的热畸变，但这对两个板条反射面的平行度、光洁度的加工提出很高的要求，同时机械的装配和安装也比较复杂。薄片式激光器的介质棒的长度远小于其直径，具有大的口径/厚度比。薄片式激光器采用的是面泵浦，面冷却的工作方式，因此其温度梯度方向平行于光轴，由此引起的折射率变化与径向无关，所以光束沿光轴传输时在径向上几乎没有相移，在大功率情况下具有较好的光束质量，同时热透镜效应也可以忽略。其缺点是，光学设计比较复杂，元器件较多，对系统的稳定性产生了较大影响，另外在大功率条件下，要求在很小的面积内将几千瓦的热量带走，这给散热系统的设计增加了难度。热容激光器这种工作方式最早是由美国利弗莫尔国家实验室提出的。原来的固体激光器散热是与激光器运行同时进行的，而固体热容激光器的运行与散热是分开的，即激光器在无冷却的情况下先运行，利用固体激光介质的热容存储废热，当激光器停止工作时再对介质进行冷却。这样避免了介质冷却表面和内部产生显著的温度梯度，减小了折射率梯度和热应力，从而有利于提高光束质量，同时具有向大功率发展的潜力。但是正是由于热容激光器这种运行与散热交替进行的工作方式，要求激光连续工作的时间不能过长。另外对介质来说，要有较大的热容，以保证足够长的运行时间；要具有良好的力学特性，能承受较大的应力；温度对介质光谱特性的影响在一定范围内也应该保持稳定。继化学激光器和传统的固体激光器之后，光纤激光器为实现激光的高功率输出提供新的选择。光纤激光器不仅结构紧凑，而且其较高的“表面积/体积”比，使光纤激光器散热效果较好。半导体激光器泵浦的掺镱光纤激光器更是由于量子效率高、热负载小、可实现高浓度掺杂和高泵浦吸收等独特优势而备受青睐。近年来随着大模场面积双包层光纤的问世、高亮度激光二极管泵浦技术和同带泵浦技术的发展，掺镱光纤激光器的输出功率不断提升，目前已经迈入万瓦级的行列。然而，由于热效应、非线性效应、光学损伤等因素的影响和限制，理论计算表明，单根掺镱光纤的单模极限输出功率仅为36. 6kW。近年来，半导体泵浦的碱金属激光器(diode-pumped alkali lasers, DPAL)越来越受到人们的关注，其工作原理是把碱金属制作成蒸汽与其它缓冲气体(如氦气等惰性气体，乙烷等小分子气体)混合，利用窄带的半导体激光器对其进行泵浦。因此DPAL具有气体激光器良好的热管理特性，以及半导体激光器高功率、高效率的特点，同时对于碱金属原子来说又具有很高的量子效率。因此其结合了气体激光器和固体激光器的优点，而且又克服了它们各自的缺点。但是由于所使用增益介质的能级特点，决定了 DPAL在如何实现有效的泵浦、泵浦方式的选择以及如何加快2p1/2和2P3/2能级间的非辐射弛豫等问题上存在困难。由上可见，现有的高能激光器和高能激光技术有一定的技术优势，但还存在诸多需要克服和解决的技术难题。
发明内容
为了解决化学激光器燃料不可循环使用、体积庞大等问题，同时克服固体激光器热效应严重、单根光纤激光器难以实现百千瓦级输出等缺陷，以及为了避免出现DPAL实现有效泵浦十分复杂的缺点，本发明提出了一种结构简单、产热少、散热快、模体积大、环境污染少、增益介质可重复利用的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，所述流动纳米颗粒稀土离子激光器包括泵浦激光器、气体工作室和谐振腔， 所述气体工作室中填充有可被所述泵浦激光器发出的泵浦光激发至高能态的增益介质，所述增益介质主要为包含稀土离子的纳米颗粒；所述气体工作室通过连接管道连通至一循环控制装置。上述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器中，所述增益介质优选主要为量子效率比较高(如离子的量子效率理论上可以超过90%)的稀土离子氧化物、含稀土离子晶体(例如％:YAG纳米粉末、％203纳米粉末)或者含稀土离子陶瓷(例如％:Y203陶瓷)的纳米颗粒。更优选的，所述稀土离子氧化物纯度为99. 9%以上，所述含稀土离子晶体或者陶瓷的纳米颗粒的掺杂浓度为15atm. % IOOatm. %。上述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器中，所述纳米颗粒的平均粒径为 Inm 500nm。增益介质颗粒尺寸均勻性要好，以保证较小的散射和较高的光束质量。上述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器中，所述稀土离子在近红外波段优选或Nd3+。上述本发明的技术方案中，使用纳米颗粒的主要目的是减少粒子对激光的散射损耗。例如，折射率为1.92、半径为50nm的球形颗粒，对于1030nm光波的散射截面为 4. 19 X IO-13Cm2,虽然纳米颗粒容易发生团簇使得颗粒尺寸变大，增加散射损耗，但是在一定功率密度的泵浦光照射下团簇的颗粒会分散开，因此只要选择好恰当的颗粒尺寸并保持合适的浓度就可以使系统的散射损耗较小。而稀土氧化物或者高掺杂则是为了增加纳米颗粒的吸收，其中其它杂质(如Tm3+，Er3+，Ho3+等)的离子应尽量少，本领域技术人员可以根据所需波长和稀土离子的能级结构，灵活选用^3+、Nd3+等稀土离子。上述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器中，所述循环控制装置优选主要由相互连接的循环气泵和流量阀组成。本发明通过设置由循环控制装置、连接管路及气体工作室组成的气体循环系统，使纳米颗粒按照合适的浓度填充于所述的气体工作室内，并循环工作。通过采用循环气泵和流量阀的结合方式，可实现纳米颗粒流量的有效控制并使其循环工作。工作时根据所需要的纳米颗粒浓度与整个气体循环系统的体积，利用以下公式(1)即可算出需要添加的纳米颗粒质量m。
权利要求
1.一种激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，所述流动纳米颗粒稀土离子激光器包括泵浦激光器G)、气体工作室( 和谐振腔，所述气体工作室(3)中填充有可被所述泵浦激光器(4)发出的泵浦光( 激发至高能态的增益介质(6)，其特征在于所述增益介质 (6)主要为包含稀土离子的纳米颗粒；所述气体工作室(3)通过连接管道(11)连通至一循环控制装置(10)。
2.根据权利要求1所述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，其特征在于所述增益介质(6)主要为量子效率比较高的稀土离子氧化物、含稀土离子晶体或者含稀土离子陶瓷的纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，其特征在于所述稀土离子氧化物纯度在99. 9%以上，所述含稀土离子晶体或者陶瓷的纳米颗粒的掺杂浓度为 15atm. % IOOatm. %。
4.根据权利要求1、2或3所述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，其特征在于所述纳米颗粒的平均粒径为Inm 500nm。
5.根据权利要求1、2或3所述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，其特征在于所述稀土离子在近红外波段为或Nd3+。
6.根据权利要求1、2或3所述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，其特征在于所述泵浦激光器(4)发出的泵浦光( 是从所述气体工作室(3)的侧面直接对所述增益介质(6)进行泵浦。
7.根据权利要求1、2或3所述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，其特征在于所述泵浦激光器(4)发出的泵浦光(5)是从所述气体工作室(3)的端面经耦合镜系统 (14)和谐振腔组成镜面后对所述增益介质(6)进行泵浦。
8.根据权利要求1、2或3所述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，其特征在于所述循环控制装置(10)主要由相互连接的循环气泵(1 和流量阀(16)组成。
9.根据权利要求1、2或3所述的激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，其特征在于所述连接管道(11)上还设有防团簇控制装置(12)，所述防团簇控制装置(1 包括固定于连接管道(11)上的玻璃窗口(19)和用于辐照玻璃窗口(19)内团簇颗粒的防团簇激光器(17)。
全文摘要
本发明公开了一种激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，流动纳米颗粒稀土离子激光器包括泵浦激光器(4)、气体工作室(3)和谐振腔，气体工作室(3)中填充有可被泵浦激光器(4)发出的泵浦光(5)激发至高能态的增益介质(6)，增益介质(6)主要为包含稀土离子的纳米颗粒；气体工作室(3)通过连接管道(11)连通至一循环控制装置(10)。本发明的流动纳米颗粒稀土离子激光器具有结构简单、产热少、散热快、模体积大、环境污染少、增益介质可重复利用等优点。
文档编号B82Y20/00GK102570283SQ20121000715
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者习锋杰, 张汉伟, 杨子宁, 王红岩, 许晓军 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学