半导体激光泵浦碱金属激光系统中，半导体激光光源I经过泵浦光线宽压窄系统采用布拉格体光栅2将半导体激光谱线宽度进行压窄至蒸气腔内碱金属原子吸收线宽的量级，通过泵浦光束匀化准直系统耦合进入充有碱金属介质和缓冲气体的碱金属蒸气腔，以匹配泵浦线宽和碱金属原子的吸收线宽，泵浦光束匀化准直系统匀化泵浦光；泵浦光反射系统将未被吸收的泵浦光多次反射回碱金属蒸气腔，碱金属蒸气温度控制系统紧挨碱金属蒸气腔后端面，采用平面、大面积的温控方式加快轴向方向的热传递，减小蒸气腔轴向方向的温度梯度分布，激光在激光器谐振腔内振荡输出激光。
[0028]碱金属蒸气腔7是本发明的核心器件，蒸气腔内的蒸气介质在轴向方向的厚度小于I厘米，以加快轴向方向的热传递，减小温度梯度分布。碱金属蒸气腔7腔内充入增益介质和缓冲气体。所述的增益介质为碱金属蒸气介质，缓冲气体包括氦气、甲烷、乙烷或者为上述气体的混合气体。
[0029]泵浦光线宽压窄系统为平面全息光栅或布拉格体光栅，它包括半导体激光光源I和布拉格体光栅2。为提高增益介质对泵浦光的吸收效率，布拉格体光栅2将半导体激光谱线宽度进行压窄，将半导体激光谱线宽压窄至与碱金属蒸气吸收线宽相匹配的线宽量级。实际中，半导体激光光源I和布拉格体光栅2之间可添加快轴准直镜来压缩半导体激光快轴方向的发散角，快轴准直镜与半导体激光光源I前端的距离应被为毫米量级。
[0030]泵浦光束勾化准直系统为透镜和勾化导光管的组合，它包括:位于布拉格体光栅2与导光管匀化器4之间的发散角控制光学透镜组3、光管匀化器4、位于导光管匀化器4下方管端与偏光立方体分光镜6之间的望远光学透镜组5，其中，发散角控制光学透镜组3由轴向平行的柱面透镜组构成，其主要目的是将半导体激光快轴和慢轴方向的发散角调整一致。来自半导体激光光源I的泵浦光轴向通过布拉格体光栅2和发散角控制光学透镜组3，经过导光管匀化器4后在空间上的光强均匀分布，通过望远光学透镜组5下方的偏光立方体分光镜6折射至碱金属蒸气腔7，偏光立方体分光镜6将泵浦光反射进入碱金属蒸气腔7的金属蒸气管腔，可实现对碱金属蒸气腔7腔体内增益介质的均匀泵浦。望远光学透镜组5可调整泵浦光在碱金属蒸气管腔上的面积大小。
[0031]碱金属蒸气温度控制系统由TEC温度控制器8及其控制电路组成，TEC温度控制8紧贴于碱金属蒸气管腔7管端的A端面，以实现精细的温控。根据实际需要，可在TEC温度控制器8和碱金属蒸气管腔7金属蒸气管腔之间添加高效传热的热沉。TEC温控器的温控面积不小于泵浦光投影在蒸气管腔7的A端面上的面积，TEC温度控制器8在工作时通过加热或降温的方式使碱金属蒸气管腔7金属蒸气管腔内气体的温度保持稳定。
[0032]激光器谐振腔由位于碱金属蒸气腔7管端A与通过偏光立方体分光镜6激光器谐振腔输出镜9之间的空间构成，激光在谐振腔内振荡并从谐振腔输出镜9方向输出。
[0033]泵浦光反射系统由碱金属蒸气腔7管端A端面所镀的高反射膜构成，或为反射膜层、反射镜、折叠镜和反射镜的组合，其作用是将未被完全吸收的泵浦光反射回碱金属蒸气管腔内，以实现碱金属蒸气腔7腔体内增益介质对泵浦能量的充分的吸收。根据实际需要，泵浦光反射系统还可设计为多次往返经过碱金属蒸气腔7增益介质的结构。所述的增益介质为碱金属蒸气介质。
[0034]为了便于说明，仅示出了与本发明薄片型DPAL的结构实施例相关的部分:
本发明的薄片型的半导体激光泵浦碱金属激光系统主要包括同一垂直在水平光轴上依次排布的半导体激光光源1、布拉格体光栅2、发散角控制光学透镜组3、导光管匀化器4、望远光学透镜组5和偏光立方体分光镜6，以及沿水平光轴分布在偏光立方体分光镜6两边紧挨碱金属蒸气腔7的A端面的TEC温控器8和激光器谐振腔输出镜9。半导体激光光源I发出的泵浦光依次经过布拉格体光栅2、发散角控制光学透镜组3、导光管匀化器4、望远光学透镜组5后经偏光立方体分光镜6的45度斜面角反射，从碱金属蒸气腔7的B端面进入碱金属蒸气腔7，未被完全吸收的泵浦光在碱金属蒸气腔7蒸气腔A端面高反射膜的作用下再次进入碱金属蒸气腔7，对泵浦光进行二次吸收。在碱金属蒸气腔7和激光器谐振腔输出镜9之间可以加入偏振片、调Q器件、非线性晶体等其他光学器件。
[0035]本发明的半导体激光泵浦薄片型碱金属激光系统包括泵浦光线宽压窄系统、泵浦光束匀化准直系统、碱金属蒸气腔、碱金属蒸气温度控制系统、泵浦光反射系统和激光器谐振腔。
[0036]图2为碱金属蒸气腔的结构示意图。为实现高效均匀的散热，蒸气腔的增益介质厚度应保持在I厘米以下。蒸气腔的A端面镀上泵浦和激光波长的高反射率膜，B端面镀上泵浦和激光波长的高透过率膜以降低泵浦光和激光的损耗。
【主权项】
1.一种薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，包括泵浦光线宽压窄系统、泵浦光束匀化准直系统、碱金属蒸气腔、碱金属蒸气温度控制系统、泵浦光反射系统和激光器谐振腔，其特征在于:在薄片型半导体激光泵浦碱金属激光器DPAL中，半导体激光光源I经过泵浦光线宽压窄系统，采用布拉格体光栅(2)将半导体激光谱线宽度压窄至蒸气腔内碱金属原子吸收线宽的量级，实现两者线宽的匹配，半导体激光通过泵浦光束匀化准直系统耦合进入充有碱金属介质和缓冲气体的碱金属蒸气腔，泵浦光束匀化准直系统匀化泵浦光的空间光强；泵浦光反射系统将未被吸收的泵浦光多次反射回碱金属蒸气腔，碱金属蒸气温度控制系统紧挨碱金属蒸气腔后端面，采用平面、大面积的温控方式加快轴向方向的热传递，减小蒸气腔横向方向的温度梯度分布，激光在激光器谐振腔内振荡输出激光。
2.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:碱金属蒸气腔(7)的蒸气介质在轴向方向的厚度小于I厘米。
3.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:碱金属蒸气腔内充入增益介质和缓冲气体，所述的增益介质为碱金属蒸气介质，缓冲气体包括氦气、甲烷、乙烷或者为上述气体的混合气体。
4.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:泵浦光线宽压窄系统为平面全息光栅或布拉格体光栅，它包括半导体激光光源(I)和布拉格体光栅⑵。
5.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:泵浦光束匀化准直系统为透镜和匀化导光管的组合，它包括:位于布拉格体光栅(2)与导光管匀化器(4)之间的发散角控制光学透镜组(3)、位于导光管匀化器(4)下方管端与偏光立方体分光镜(6)之间的望远光学透镜组(5)，其中，发散角控制光学透镜组(3)由轴向平行的柱面透镜组构成。
6.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:碱金属蒸气温度控制系统由TEC温度控制器(8)及其控制电路组成，TEC温度控制器(8)紧贴于碱金属蒸气管腔(7)管端的A端面，以实现精细的温控，其中TEC温控器的温控面积不小于泵浦光投影在蒸气管腔(7)的A端面上的面积。
7.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:泵浦光反射系统由碱金属蒸气腔(7)管端A端面所镀的反射膜层构成，或为反射膜层、反射镜、折叠镜和反射镜的组合。
8.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:激光器谐振腔由位于碱金属蒸气腔(X)管端A与通过偏光立方体分光镜(6)激光器谐振腔输出镜(9)之间的空间构成，激光在谐振腔内振荡并从谐振腔输出镜(9)方向输出。
9.如权利要求1所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统包括同一垂直在水平光轴上依次排布的半导体激光光源(I)、布拉格体光栅(2)、发散角控制光学透镜组(3)、导光管勾化器(4)、望远光学透镜组(5)和偏光立方体分光镜(6)，以及沿水平光轴分布在偏光立方体分光镜(6)两边紧挨碱金属蒸气腔(7)的后端面的TEC温控器⑶和激光器谐振腔输出镜(9)，半导体激光光源(I)发出的泵浦光依次经过布拉格体光栅(2)、发散角控制光学透镜组(3)、导光管匀化器(4)、望远光学透镜组(5)后经偏光立方体分光镜(6)的45度斜面角反射，从碱金属蒸气腔(7)的B端面进入碱金属蒸气腔7，未被完全吸收的泵浦光在碱金属蒸气腔7蒸气腔后端面高反射膜的作用下再次进入碱金属蒸气腔(7)，对泵浦光进行二次吸收。
10.如权利要求9所述的薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统，其特征在于:来自半导体激光光源(I)的泵浦光轴向通过布拉格体光栅(2)和发散角控制光学透镜组(3)，经过导光管匀化器(4)后在空间上的光强均匀分布，通过望远光学透镜组(5)下方的偏光立方体分光镜(6)将泵浦光反射进入碱金属蒸气腔(7)的金属蒸气管腔，实现对碱金属蒸气腔(7)腔体内增益介质的均匀泵浦。
【专利摘要】本发明提出的一种薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统,旨在提供一种能够加快蒸气介质散热速度，可进一步减轻蒸气腔温度梯度分布的激光系统。本发明通过下述技术方案予以实现：半导体激光光源经过泵浦光线宽压窄系统进行压窄后，通过泵浦光束匀化准直系统耦合进入充有碱金属介质和缓冲气体的碱金属蒸气腔，以匹配泵浦线宽和碱金属原子的吸收线宽，泵浦光束匀化准直系统匀化吸收泵浦光；泵浦光反射系统将未被吸收的泵浦光多次反射回碱金属蒸气腔，碱金属蒸气温度控制系统紧挨碱金属蒸气腔后端面，采用平面、大面积的温控方式加快轴向方向的热传递，减小蒸气腔横向方向的温度梯度分布，激光在激光器谐振腔内振荡输出激光。
【IPC分类】H01S3-041, H01S3-227, H01S3-0941
【公开号】CN104617481
【申请号】CN201410853687
【发明人】蔡和, 王浟, 韩聚洪, 张伟, 薛亮平, 安国斐, 王宏元, 周杰, 蒋志刚
【申请人】西南技术物理研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月31日