板状激光器的均匀照明器制造技术

本发明专利技术是一种用于板状激光器的均匀照明器，由双椭圆聚光腔，泵浦光源及激光介质的冷却系统和支撑结构组成。其特征是位于作为水冷的玻璃管内的激光介质板的大平面两侧各有一柱面透镜，其柱面透镜的平面垂直于双椭圆的三个焦点连线。激光介质板横截面（ＹＺ面）的中心位于两个椭圆的公共焦点上。本发明专利技术可以广泛应用于要求均匀照明的器件上，特别适用于板状激光器。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于光学领域。已有的技术第一次激光的出现来源于固体激光器。随着激光物理与技术的发展，固体激光器可给出高能量脉冲，但，重复频率高不上去，也就是平均功率不高，即使输出几百瓦多模连续激光器，其输出光发散角将增大到几十毫弧度。总之，不论在连续或是在脉冲工作状态，在平均功率提高时，其激光亮度明显下降。从而限制了固体激光器的应用范围，特别是在工业和军事上的应用。其原因是由于传统的棒状固体激光介质在高功率泵浦时，引入了严重的热畸变，如热焦距，热致双折射等。使用板状激光介质与之字形光路可以克服热畸变与补偿波面畸变。从而使固体激光器可以正常地运转在千瓦量级，这是一种革命性的变革。使用板状激光介质与之字形光路而克服热效应，必须获得一维温度场的分布，其重要的关键技术是泵浦光在板状激光介质上的照明均匀度。美国专利ADA012579中描述了一种照明器(示于图1)，它采用双椭圆聚光腔，双灯照明激光介质。激光介质板平行地位于双椭圆三个焦点的连线上，从氙灯发出的光都经过聚光腔反射而照射到板的上下两个面上。如该文中所述，“激光介质的冷却放在一个圆管6中，该管中放入四个填充物，即四块玻璃条。其中两个玻璃条7用来绝热，另两个玻璃条5用来产生一个薄的水流层，以保证高速度的冷却水。”以增益曲线观察其照明均匀性(示于图2)，由于激光介质板水平地位于双椭圆聚光腔的三个焦点的连线上，而板的中心不是位于两个椭圆的共焦点上，所以增益曲线在离板的中心(y＝0)约±3.5mm处出现了两个峰值，显示出它的照明不均匀度约为50%，显然用这种照明方式，输出激光光斑上会出现两个强区，这就是ADA012579专利中所描述照明器的缺点。为提高固体激光器在高平均功率输出时获得的激光亮度，采用板状激光介质，其照明条件应是一维温度场，因此必须寻求一个特殊结构的聚光腔系统。本专利技术正是获得均匀照明的聚光腔结构。本专利技术的板状激光腔的聚光照明器包含双椭圆聚光腔，泵浦光源与激光介质及其冷却系统和支撑结构。其结构的剖面图示于图3。聚光腔是一个双椭圆，椭圆度e＝ (c)/(a) ，C=a2-b2]]>，式中a与b分别是椭圆的长轴与短轴(Z2)/(a2) + (y2)/(b2) =1带有冷却水套管的泵浦灯分别位于两个椭圆的焦点上，激光介质板的横截面(yz面)中心位于两个椭圆的公共焦点上，泵浦灯从激光介质板的两个全内反射面照射激光介质而使其获得粒子数反转。激光介质板放在一个圆玻璃冷却水套管6内，可以容易地通水冷却。管内有两个玻璃条5(见图3)与激光介质板两侧面分别连接在一起，以获得垂直于双椭圆焦点连线(y)方向的热绝缘。管内还有一对柱面透镜9，它们是平凸柱面透镜，其轴向平面垂直于双椭圆的三个焦点连线，柱面透镜凸面和圆玻璃管内壁紧密配合，密合得两者之间无冷却水流过。激光介质板的大平面也垂直于双椭圆的三个焦点连线，柱面透镜的轴向平面和激光介质板之间形成薄的水流层8，以增大冷却水的流速，提高冷却效果。设平凸柱面透镜的曲率半径为r，其厚度为d，泵浦灯冷却水套管之半径为r1，与激光介质板的两个侧面相连接的玻璃条Y方向上的厚度为l1，水流层厚度为l2，激光介质板的宽，厚两个尺寸为y0，z0，则柱面透镜的半径r与厚度d可从一组关系式中选取r＝l1+y0/2d＝r-(l2+z0/2)r1+r＜2c其中 在实验中发现减薄水流层的厚度l2可增大冷却水流速，提高冷却效果。但，当水流层厚度l2低于1mm时其水阻将会增大到无利于激光介质板的冷却。根据上面的关系式，当激光介质板的尺寸选定，再选取适当厚度l1的玻璃条，为了使玻璃条达到绝热的目的，其厚度l1要大于2mm，但厚度选取过大，且要选取较粗的玻璃冷却水套管6，将致使整个照明器的结构尺寸相应地增大，变得笨重。玻璃条7被选定后，再来确定圆玻璃冷却水套管的半径，则此，柱面透镜的曲率半径r也就确定了。由于冷却水流层的厚度l2对柱面透镜的厚度d有一定要求，则根据上述关系式可确定柱面透镜的厚度d。照明器的泵浦光束分成三部分，一部分泵浦光束经过柱面透镜直接照射在激光介质板上，一部分泵浦光束由椭圆腔反射后经柱面透镜照射在激光介质板上，还有一部分泵浦光束经椭圆腔反射直接照射在激光介质板上，由光线追迹计算可知，前两部分泵浦光束较第三部分泵浦光束的照明效果为最佳，当选取适合的柱面透镜的曲率半径和厚度后可以减少第三部分泵浦光束的影响，以至于可以忽略不计。为充分提高泵浦光源对激光介质板的照明强度及均匀性，当选定双椭圆聚光腔，激光介质板，泵浦灯冷却水套管的尺寸后，用光线追迹计算法，可以得出比较合理的柱面透镜的曲率半径和厚度。泵浦光源可以是氙灯，氪灯或是短脉冲灯。专利技术优点本专利技术可以广泛地应用在各种要求均匀照明的器件上，应用在板状激光器中，尤其具有独特的优点。1.提高照明均匀度，从图7和图8两条曲线比较可知，光照均匀度的提高要大于10%;2.改善激光介质板内的温度场分布;3.提高冷却水的流速，带走热辐射;4.提高激光器效率，美国ADA012579专利所述的激光器效率为1%，本专利技术使激光器斜率可达到3.5%，是美国专利的3.5倍;5.降低输出激光束的发散度，提高输出激光束亮度;6.本专利技术照明器的结构具有可实现性。综上所述，本专利技术所形成的结构，研制成的激光器具有高平均功率，高亮度的输出，它将被广泛地应用在激光加工，激光致盲，激光医学等领域。板状激光器的成功使固体激光器得到一次飞跃。 附图说明图1.美国专利ADA012579所描述的双椭圆聚光腔。其中1-双椭圆聚光腔2-灯冷却水套管3-灯4-激光介质板5-玻璃条6-玻璃冷却水套管7-热绝缘的玻璃条8-水流层图2.美国专利ADA012579所描述的沿激光介质板宽度方向的增益曲线。其中横坐标Y(mm)为激光介质板的宽度。纵坐标G为信号增益(db)，纵坐标N为放大倍数。图3.本专利技术的均匀照明器其中9-柱面透镜图4.板状激光器谐振腔结构示意图其中10-全反射镜11-激光介质板12-泵浦光13-激光器的输出镜14-输出的激光束15-激光介质板的横截面(yz平面)图5.无柱面透镜时光强I1(x，y)沿Y轴方向分布曲线x＝0(对I1(0，0)值归一化)。图6.有柱面透镜时光强I2(x，y)沿Y轴方向分布曲线x＝0(对I2(0，0)值归一化)。图7.无柱面透镜时，沿介质板宽度方向上的光强分布。图8.有柱面透镜时，沿介质板宽度方向上的光强分布。最佳实施例设计参数为1.椭圆聚光腔 z2/a2+y2/b2＝1 a＝28mm b＝26.15mmc＝10mm2.激光介质板宽(y0)＝20mm，厚(z0)＝6mm3.泵浦灯冷却水套管的半径r＝6.5mm4.平凸柱面透镜r＝13mm，d＝7mm板状激光器的激光腔示于图4，它由全反射镜和输出镜组成，激光介质板是一块矩形长方板，激光介质板的上下两个平面是激光束的全内反射面，光束的出，入射面做成布儒斯特角，激光束以“之”字形方式通过激光介质板。泵浦光分别从上下两个面照射激光介质板以获得粒子数反转，同时冷却水冷却上下两个面。泵浦光源采用氙灯。消除热畸变的关键是在激光介质板内只存在一个一维温度场，即只存在dT/dx＝0，dT/dy＝0，其中T是激光介质板内的温度，x，y，z分别为激光介质板的长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种板状激光器的均匀照明器，包含双椭圆聚光腔，双支带有冷却水套管的分别位于两个椭圆焦点上的泵浦光源，激光介质板置于作为通水冷却的圆玻璃管内，其玻璃管内有支撑介质板的结构，其特征在于作为激光介质板通水冷却的圆玻璃冷却水套管内有两个与激光介质板两侧面分别连接在一起的玻璃条是置于垂直于双椭园焦点连线的方向上，管内还有一对轴向平面垂直于双椭园三个焦点连线的平凸柱面透镜，置于两平凸柱面透镜之间的的激光介质板的大平面同样垂直于双椭园三个焦点的连线，激光介质板横截面（ＹＺ面）的中心位于两个椭圆的公共焦点上，并平凸柱面透镜的轴向平面与激光介质板之间存在有薄的水流层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：何慧娟，李永春，郭景华，顾圣如，乔福堂，张影华，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]