一种全光泵浦气体激光器

1.本发明属于激光器技术领域，更具体的说是涉及一种全光泵浦气体激光器。


背景技术：

2.随着科技的发展，激光能源工业领域、激光工业加工领域以及航空航天和国防领域对高光束质量、高效率和高功率的激光需求与日俱增。基于上述需求，提出一种全光泵浦气体激光器。
3.对于激光器而言，增益介质是其核心，它决定了输出光束的波长，同时对激光器的功率水平和光束模式有决定性的影响。高功率激光光源的增益介质主要经历了yag棒状增益介质(难以获得基模输出)—co2气体增益介质(10kw级基模)—光纤增益介质(kw级基模)的发展历程。高功率co2激光器采用气体增益介质，基模输出功率高，光束质量好，但存在电光转换效率低，结构庞大，远红外波长不适合光纤柔性传输等不足，在千瓦级的薄板及中等板厚的激光切割焊接应用中，高功率光纤激光器逐步取代高功率co2激光器成为主力光源，但是由于热效应以及光纤中非线性效应的影响，限制了单光纤激光器输出功率的进一步提升。目前已经提出的半导体泵浦碱金属蒸气激光器也属于半导体泵浦气态增益介质激光器结构，然而其存在工作物质容易污染激光输出窗口；其工作物质在常温下为固态，需要通过加热手段使其转换为气体，该过程不仅为激光器带来了额外热源而且对碱金属蒸气池的温度控制和碱金属化学活性的控制提出了挑战，其输出激光过程还产生对人体和环境有毒有害的物质；虽然半导体泵浦稀有气体激光器可以规避半导体泵浦碱金属蒸气激光器的不足，实现高功率、高光束质量、窄线宽的激光输出，但是目前现有气体激光器包括半导体泵浦稀有气体激光器均是通过直流或者射频气体放电方式获得有效工作物质，导致整个激光系统正常运转的总效率受气体放电效率不高的限制。
4.因此，如何提供一种全光泵浦气体激光器成为了本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明借助现有极紫外光源、镀膜和光束整形技术提供了一种全光泵浦气体激光器，其兼具气体和全固态(半导体)激光器的优势，可实现高功率、高效率、高光束质量、高稳定性的连续激光输出，其目的在于解决现有高功率半导体激光光束质量不好、现有半导体泵浦碱金属蒸气激光器工作物质污染激光输出窗口和工作过程中产生对对人体和环境有毒有害物质以及现有半导体泵浦稀有气体激光器存在的低放电转换效率等问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种全光泵浦气体激光器，包括：括谐振腔、极紫外激光系统、辅助泵浦半导体激光系统和主泵浦半导体激光系统，所述谐振腔的左右两侧均设置有主泵浦半导体激光系统，所述极紫外激光系统和辅助泵浦半导体激光系统分别设置在所述谐振腔的上下两侧；
8.极紫外激光系统产生极紫外激光，实现极紫外泵浦过程产生激光器亚稳态气体粒子的过渡能态，并结合辅助泵浦半导体激光系统参与的辅助泵浦过程及荧光跃迁过程，产生亚稳态气体粒子，作为激光器的有效工作物质；主泵浦半导体激光系统产生的主泵浦半导体激光透射注入谐振腔中，实现激光上、下能级间的粒子数反转，经振荡放大后，获得输出激光。
9.进一步的，所述极紫外激光系统包括极紫外激光器和极紫外光学整形系统，所述谐振腔与所述极紫外光学整形系统相对的位置上开设有极紫外透射窗口；所述极紫外激光器通过极紫外光学整形系统和对应波长的极紫外透射窗口，将极紫外泵浦光注入谐振腔内，用以产生亚稳态气体粒子的过渡能态s[3/2]1。
[0010]
进一步的，所述辅助泵浦半导体激光系统包括辅助泵浦半导体激光器和辅助泵浦光学整形系统，所述谐振腔与所述辅助泵浦光学整形系统相对的位置上开设有辅助泵浦半导体激光透射窗口；所述辅助泵浦半导体激光器通过辅助泵浦光学整形系统和对应波长的辅助泵浦半导体激光透射窗口，将辅助泵浦半导体激光注入谐振腔内，实现辅助泵浦过程s[3/2]1→
p[3/2]1，并结合荧光过程p[3/2]1→
s[3/2]2，产生激光器有效工作气体粒子：s[3/2]2亚稳态气体粒子。
[0011]
进一步的，主泵浦半导体激光系统包括主泵浦半导体激光器和主泵浦光学整形系统，所述谐振腔与所述主泵浦光学整形系统相对的位置上开设有主泵浦半导体激光透射窗口；所述主泵浦半导体激光器通过主泵浦光学整形系统和对应波长的主泵浦半导体激光透射窗口，将主泵浦半导体激光注入谐振腔内，实现主泵浦过程s[3/2]2→
p[5/2]3，并结合碰撞弛豫跃迁过程p[5/2]3→
p[1/2]1，形成激光正常运转过程中激光上、下能级间的粒子数反转：p[1/2]1→
s[3/2]2。
[0012]
进一步的，所述极紫外激光器的轴线、所述辅助泵浦半导体激光器的轴线和所述主泵浦半导体激光器对的轴线均与所述谐振腔的轴线正交且相交于所述谐振腔的中心。
[0013]
进一步的，所述谐振腔轴线垂直方向的两个端面上分别设置有尾镜和输出镜，尾镜和输出镜与气体工作物质共同构成谐振腔，注入谐振腔中的主泵浦半导体激光，实现激光上、下能级间的粒子数反转，经过所述尾镜和输出镜的振荡放大后，通过所述输出镜获得输出激光。
[0014]
进一步的，所述谐振腔中的气体介质包括稀有气体；所述主泵浦半导体激光器所发激光的中心波长与谐振腔内经极紫外激光器和辅助泵浦半导体激光器参与的极紫外光泵浦与辅助泵浦过程所产生的有效工作气体粒子的吸收谱线相匹配。
[0015]
进一步的，所述稀有气体中混合一定比例的氩气和氦气，工作在接近一个大气压下。
[0016]
进一步的，所述的谐振腔在面向极紫外泵浦光、辅助泵浦半导体激光和主泵浦半导体激光入射的一面分别镀有一层对应泵浦光波长的高透射率膜，形成极紫外光透射窗口、辅助泵浦半导体激光透射窗口和主泵浦半导体激光透射窗口，谐振腔其余部分镀有一层对主泵浦半导体激光的高反射率膜。
[0017]
进一步的，所述谐振腔由高硼酸玻璃或陶瓷材料制成。
[0018]
本发明的有益效果在于：
[0019]
(1)采用极紫外光泵浦和辅助泵浦机制，经过荧光跃迁过程，可高转换效率的获得
亚稳态气体粒子，同时通过控制极紫外泵浦光和辅助泵浦半导体激光的功率可以便捷控制亚稳态气体粒子的浓度，有利于提高激光器正常运转的稳定性，从而为提高激光器的高功率输出提供保障。
[0020]
(2)借助侧面泵浦结构，技术更成熟、更可靠；较端面泵浦结构，其可以有效增加泵浦光与气体增益介质的接触面积，从而增加两者的碰撞概率，提高泵浦效率，同时结合极紫外激光器的轴线、辅助泵浦半导体激光器的轴线、主泵浦半导体激光器对的轴线和谐振腔的轴线四者彼此正交且相交于所述谐振腔的中心的泵浦结构，有利于谐振腔内部的温度梯度的均匀分布，提高激光器正常工作过程中的稳定性，为提高激光输出功率提供保障。
[0021]
(3)使用的工作物质为化学特性稳定、无毒无害的高纯度单一稀有气体或两种稀有气体混合的二元混合气体或稀有气体与其他辅助气体组成的多元混合气体。该类工作物质在激光输出过程中不会产生对人和环境有毒有害的物质。
[0022]
(4)采用镀膜技术，使谐振腔在面向泵浦光入射的一面的泵浦光透光窗口处镀有一层对该泵浦光的高透射率膜，其余内表面镀有一层对该泵浦光的高反射率膜，可实现主泵浦光的类似黑体辐射的多光程反射过程，增加泵浦光与气体增益介质的碰撞几率，从而提高泵浦效率，同时结合光学整形系统，有利于三种不同波长泵浦激光更加充分的注入至谐振腔内，提高泵浦激光的泵浦强度，从而提高输出激光的泵浦效率。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本实用新式实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新式的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明提供的全光泵浦稀有气体激光器的结构示意图；
[0025]
图2为本发表提供的全光泵浦稀有气体激光器沿谐振腔轴线垂直方向的剖面图；
[0026]
图3为本发明提供全光泵浦稀有气体激光器正常运转过程的能级结构示意图。
[0027]
其中，图中，
[0028]
1-谐振腔，2-主泵浦半导体激光器，3-主泵浦光学整形系统，4-主泵浦半导体激光，5-极紫外激光器，6-极紫外光学整形系统，7-极紫外泵浦光，8-主泵浦半导体激光透射窗口，9-辅助泵浦半导体激光器，10-辅助泵浦光学整形系统，11-辅助泵浦半导体激光，12-辅助泵浦半导体激光透射窗口，13-尾镜，14-输出镜，15-输出激光，16-极紫外光透射窗口。
具体实施方式
[0029]
下面将结合本发明的实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
参考图1，本发明提供了一种全光泵浦气体激光器，包括：括谐振腔、极紫外激光系统、辅助泵浦半导体激光系统和主泵浦半导体激光系统，谐振腔的左右两侧均设置有主泵浦半导体激光系统，极紫外激光系统和辅助泵浦半导体激光系统分别设置在谐振腔的上下
两侧；
[0031]
极紫外激光系统产生极紫外激光，实现极紫外泵浦过程产生激光器亚稳态气体粒子的过渡能态，并结合辅助泵浦半导体激光系统参与的辅助泵浦过程及荧光跃迁过程，产生亚稳态气体粒子，作为激光器的有效工作物质；主泵浦半导体激光系统产生的主泵浦半导体激光透射注入谐振腔1中，实现激光上、下能级间的粒子数反转，经振荡放大后，获得输出激光15。
[0032]
极紫外激光系统包括极紫外激光器5和极紫外光学整形系统6，谐振腔1与极紫外光学整形系统6相对的位置上开设有极紫外透射窗口16；极紫外激光器5通过极紫外光学整形系统6和对应波长的极紫外透射窗口16，将极紫外泵浦光7注入谐振腔1内，用以产生亚稳态气体粒子的过渡能态s[3/2]1。
[0033]
辅助泵浦半导体激光系统包括辅助泵浦半导体激光器9和辅助泵浦光学整形系统10，谐振腔1与辅助泵浦光学整形系统10相对的位置上开设有辅助泵浦半导体激光透射窗口12；辅助泵浦半导体激光器9通过辅助泵浦光学整形系统10和对应波长的辅助泵浦半导体激光透射窗口12，将辅助泵浦半导体激光11注入谐振腔1内，实现辅助泵浦过程s[3/2]1→
p[3/2]1，并结合荧光过程p[3/2]1→
s[3/2]2，产生激光器有效工作气体粒子：s[3/2]2亚稳态气体粒子。
[0034]
主泵浦半导体激光系统包括主泵浦半导体激光器2和主泵浦光学整形系统3，谐振腔1与主泵浦光学整形系统3相对的位置上开设有主泵浦半导体激光透射窗口8；主泵浦半导体激光器2通过主泵浦光学整形系统3和对应波长的主泵浦半导体激光透射窗口8，将主泵浦半导体激光4注入谐振腔1内，实现主泵浦过程s[3/2]2→
p[5/2]3，并结合碰撞弛豫跃迁过程p[5/2]3→
p[1/2]1，形成激光正常运转过程中激光上、下能级间的粒子数反转：p[1/2]1→
s[3/2]2。
[0035]
极紫外激光器5作为泵浦光，通过极紫外光学整形系统6后注入谐振腔1内，实现极紫外光泵浦过程产生激光器有效工作介质的过渡能态，其结合辅助泵浦半导体激光器参与的辅助泵浦过程及荧光过程产生激光器有效工作气体粒子-亚稳态气体粒子；主泵浦半导体激光器2作为主泵浦光，其中心波长与谐振腔1内工作气体放电后的气体粒子吸收谱线相匹配，通过主泵浦光学整形系统3后注入至谐振腔1内，谐振腔1输出激光。
[0036]
本实施例中，极紫外激光器5的轴线、辅助泵浦半导体激光器9的轴线和主泵浦半导体激光器对2的轴线均与谐振腔1的轴线正交且相交于谐振腔1的中心。
[0037]
本实施例中，谐振腔1轴线垂直方向的两个端面上分别设置有尾镜13和输出镜14，尾镜13和输出镜14与气体工作物质共同构成谐振腔1，注入谐振腔1中的主泵浦半导体激光4，实现激光上、下能级间的粒子数反转，经过尾镜13和输出镜14的振荡放大后，通过输出镜14获得输出激光15。
[0038]
本实施例中，谐振腔1中的气体介质包括稀有气体或稀有气体与其他辅助气体组成的混合气体；主泵浦半导体激光器2所发激光的中心波长与谐振腔1内经极紫外激光器5和辅助泵浦半导体激光器9参与的极紫外光泵浦与辅助泵浦过程所产生的有效工作气体粒子的吸收谱线相匹配。
[0039]
本实施例中，稀有气体中混合一定比例的氩气和氦气，工作在接近一个大气压下。
[0040]
本实施例中，的谐振腔1在面向极紫外泵浦光7、辅助泵浦半导体激光11和主泵浦
半导体激光4入射的一面分别镀有一层对应泵浦光波长的高透射率膜，形成极紫外光透射窗口16、辅助泵浦半导体激光透射窗口12和主泵浦半导体激光透射窗口8，谐振腔1其余部分镀有一层对主泵浦半导体激光4的高反射率膜。
[0041]
本实施例中，谐振腔1由高硼酸玻璃或陶瓷材料制成。
[0042]
本发明的工作原理：
[0043]
本发明包括谐振腔1、主泵浦半导体激光器对2、主泵浦光学整形系统3、极紫外激光器5、极紫外光学整形系统6、辅助泵浦半导体激光器9和辅助泵浦光学整形系统10。其中，谐振腔1为高硼酸玻璃或者陶瓷材料制成，其内部的工作物质为无毒无害、化学性质稳定的稀有气体，气体成份可以是高纯度的单一稀有气体或是由两种稀有气体组成的二元混合气体或是由稀有气体与其他辅助气体组成的多元混合气体；极紫外激光器5通过极紫外光学整形系统6和极紫外光透射窗口16，将极紫外泵浦光7注入谐振腔1内，用以产生亚稳态气体粒子的过渡能态s[3/2]1，结合辅助泵浦半导体激光器9参与的s[3/2]1→
p[3/2]1辅助泵浦过程和p[3/2]1→
s[3/2]2荧光过程，产生激光器有效工作气体粒子——s[3/2]2亚稳态气体粒子，该过程相较于现有通过电激励过程产生亚稳态气体粒子，具有粒子转换效率高、稳定性高、结构紧凑、体积小的特点，可通过控制极紫外泵浦光7和辅助泵浦半导体激光4的功率等参数便捷控制亚稳态气体粒子的浓度，有利于提高激光器正常运转的稳定性，从而为提高激光器的高功率输出提供保障；极紫外激光器5的轴线、辅助泵浦半导体激光器9的轴线、主泵浦半导体激光器对2的轴线和谐振腔1的轴线四者彼此正交且相交于谐振腔的中心，有利于谐振腔1内部的温度梯度均匀分布，从而提高激光器正常工作过程中的稳定性；两个主泵浦半导体激光器2分别位于谐振腔1轴线平行方向的两侧，通过主泵浦光学整形系统3和主泵浦半导体激光透射窗口8，将主泵浦半导体激光4注入谐振腔1内，实现s[3/2]2→
p[5/2]3主泵浦过程，并结合p[5/2]3→
p[1/2]1碰撞弛豫跃迁过程，形成激光正常运转过程中p[1/2]1→
s[3/2]2激光上、下能级间的粒子数反转；通过镀膜技术，在谐振腔1在面向主泵浦半导体激光4入射的两个侧面的镀一层对该主泵浦半导体激光4的高透射率膜，其余内表面镀有一层对该主泵浦半导体激光4的高反射率膜，可实现主泵浦半导体激光4的类似黑体辐射的多光程反射过程，增加主泵浦半导体激光4与气体增益介质的碰撞概率，从而提高泵浦效率，同时结合主泵浦光学整形系统3，有利于将主泵浦半导体激光4更加充分的注入至谐振腔1内，提高泵浦强度，从而提高输出激光的泵浦效率，有利于高功率激光的输出；尾镜13和输出镜14分别位于谐振腔1轴线垂直方向的两个端面，用于产生输出激光15；极紫外光透射窗口16和辅助泵浦半导体激光透射窗口12借助镀膜技术实现对应泵浦光的高透过效果，其大小、形状与对应激光光斑的形状、大小相对应，有利于提高上述两个泵浦过程的泵浦效率，从而有利于提高激光器有效工作s[3/2]2气体粒子的浓度，为实现高功率、高稳定性激光光输出提供保障；尾镜13和输出镜14与气体介质共同构成谐振腔1，用于产生输出激光15，其类似与现有激光器中的非稳谐振腔，利用非稳谐振腔技术提取输出激光，具有结构简单紧凑、技术成熟、稳定性好等特点。
[0044]
本激光器借助于现有极紫外光源、镀膜和光束整形技术产生实际有效的工作介质——亚稳态气体粒子，相较于现存的气体放电产生工作介质方式，具有效率高、结构紧凑、体积小、工作稳定的特点；其兼具气体和全固态(半导体)激光器的优点，以及固态增益介质在高功率下的非线性效应等问题，可以实现高功率、高光束质量、短波长激光输出的完
美结合，可以有效防止高功率连续单模激光、高功率皮秒飞秒激光的非线性效应，具有高功率的激光输出和脉冲能量高、光束质量好、量子效率高、良好的大气与光纤传输特性、加工效率高等特点，是未来太空能量传输、超短脉冲激光大规模工业应用等领域的重要潜在光源。其不同于常规激光器，全光泵浦气体激光器激射激光是一个三级光泵浦过程，即极紫外光泵浦过程、辅助泵浦过程和主泵浦过程，该结构较现有半导体泵浦稀有气体激光器中的电激励和光泵浦组合，可以提高激光器的总转换效率、泵浦效率和稳定性，从而提高激光器的输出功率。
[0045]
总体而言，本发明结合极紫外光源、镀膜和侧面泵浦技术，从以高效率、高稳定性地输出高光束质量、高功率的连续激光等方面考虑，提供了一种全光泵浦的混合型激光器。
[0046]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0047]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。