一种分布式悬浮颗粒增益模块及激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种分布式悬浮颗粒增益模块及激光器。

背景技术

由于高能激光器在国防、科学研究、医疗、通信和工业等领域上的应用需求日益增长，高能激光的各项研究越来越受到光学领域研究人员的重视。当前，高能激光器输出功率正在向着300kW(千瓦)迈进，但由于高能激光光源的体积和重量等比例增加，激光武器的平台适装性难题迎面而来。以洛马公司的60kW光纤激光器为例，其体积足足有两辆重型卡车的大小。

固体激光器具有优异的激光性能，但是由于热效应的限制，常规的固体激光器结构，如薄片激光器、板条激光器等，已经很难在功率体积(重量)比方面满足新的需求。液体激光器具有优越的热管理能力，其增益介质具有流体的流动换热性能，这样的散热方式相比固体激光器传导换热，至少有1至2个数量级的效率提升(化学激光器即是流动换热)。但液体激光介质普遍存在荧光猝灭的问题，因此，液体激光器对于实现高功率高质量的激光输出，有着更高的技术要求。

在满足激光系统整体结构紧凑、小型化的设计趋势下，为了实现高效率的热管理能力并获得高功率高质量的激光输出，亟需设计一种新型的增益模块，以满足对应的新型激光器构建。

发明内容

针对现有技术的不足与实际应用的需求，第一方面，本发明提供了一种分布式悬浮颗粒增益模块。所述分布式悬浮颗粒增益模块包括：增益介质，所述增益介质为悬浮液，所述悬浮液中溶剂和溶质的折射率匹配，所述溶质为固体发光颗粒；循环组件，所述循环组件用于为所述增益介质的循环流动提供路径和动力；层流组件，所述层流组件与所述循环组件连通，所述层流组件用于使得流经层流组件的增益介质形成层流流态。本发明使用固体发光颗粒作为核心增益介质，不仅在一定程度上避免了液体激光增益介质普遍存在的荧光淬灭问题，提高了激光效率；还借助悬浮液的流动性快速带走废热，进而有力地克服固体激光器的热效应，打破传统固体激光器的热效应瓶颈。

可选地，所述层流组件包括：入口组件，所述入口组件与所述循环组件连通；分层组件，所述分层组件包括多个并行的层流流体腔，所述分层组件与所述入口组件连通；出口组件，所述出口组件与所述分层组件连通。本发明利用分层组件中多个并行的层流流体腔，在保证任一个层流流体腔内增益介质能形成层流流态的同时，还在紧凑结构内实现了极大的增益体积。这样的分布式悬浮颗粒增益模块，有助于构建具有更高功率激光输出的高光束质量激光器。

可选地，所述入口组件包括：入口法兰；入口缓冲管，所述入口缓冲管的一端通过所述入口法兰与所述循环组件连通；入口蜂窝器，所述入口蜂窝器上设置有阵列分布、大小均匀的导通孔，所述蜂窝器设置于所述入口缓冲管背离所述入口法兰的一端；入口阻尼网，所述入口阻尼网的一侧贴附于所述蜂窝器背离所述入口缓冲管的一侧，所述入口阻尼网的另一侧贴附于所述层流组件的一端。本发明通过这种入口设计，可以有效地引导增益介质流量均匀地进入各个层流流体腔，可以避免某个流体腔流量过小所导致的热安全性问题。

可选地，所述出口组件包括：出口法兰；出口缓冲管，所述出口缓冲管的一端通过所述出口法兰，与所述循环组件连通；出口蜂窝器，所述出口蜂窝器上设置有阵列分布、大小均匀的导通孔，所述出口蜂窝器设置于所述出口缓冲管背离所述入口法兰的一端；出口阻尼网，所述出口阻尼网的一侧贴附于所述蜂窝器背离所述出口缓冲管的一侧，所述出口阻尼网的另一侧贴附于所述层流组件的另一端。本发明通过入口组件与出口组件的镜像对称设置，可以有效地保证流体的压力调节与平稳回流，有助于维持增益介质的稳定流动，提升高功率激光器的效率和性能。

可选地，任一个所述层流流体腔依次包括：入口收缩区，所述入口收缩区的进口内径大于所述入口收缩区的出口内径；入口弛豫区，所述入口弛豫区的各处内径与所述入口收缩区的出口内径一致；层流增益区，所述层流增益区内增益介质的流动形态为层流流态，所述层流增益区的各处内径与所述入口收缩区的出口内径一致；出口弛豫区，所述出口弛豫区的各处内径与所述入口收缩区的出口内径一致；出后扩散区，所述出后扩散区的进口内径与所述出口弛豫区的孔径一致，所述出后扩散区的出口内径大于所述出后扩散区的入口内径。本发明所提出的层流流体腔的设计，通过收缩、弛豫和扩散区域的合理配置，有效地形成并维持层流流体腔中增益介质的层流流动状态，优化了流体流动，可避免湍流致光束质量恶化，有助于实现稳定的高功率激光输出。

可选地，所述层流流体腔的数量和位置与所述导通孔的数量和位置适配，适配方式包括如下规则：若所述层流流体腔的数量为m，则任一个层流流体腔对应的导通孔数量为n，其中，m为所述导通孔的行数，n为所述导通孔的列数；若所述层流流体腔的数量为n，则任一个层流流体腔对应的导通孔数量为m，其中，m为所述导通孔的行数，n为所述导通孔的列数。本发明通过层流流体腔和导通孔的数量和位置适配，实现了有效的流体控制和分布，使增益介质流量均匀地进入各个层流流体腔，可以避免某个流体腔流量过小所导致的局部散热能力下降。

可选地，所述层流流体腔在所述层流增益区位置处腔体材质的折射率与所述增益介质的折射率匹配。在层流流体腔在所述层流增益区位置处激光穿过折射率匹配的光学窗口和增益介质时，界面损耗大大减小，可有效提升激光转换效率，有助于高功率激光输出。

可选地，所述增益介质包括以Nd

可选地，所述分布式悬浮颗粒增益模块还包括：冷却组件，所述冷却组件用于给所述增益介质散热。本发明通过冷却组件对增益介质进行实时散热，使得增益介质能够在高热负载下以恒定温度工作，以保障基于分布式悬浮颗粒增益模块的激光器以连续工作模式长时间运行。

第二方面，本发明还提供了一种激光器，所述激光器包括：泵浦模块，所述泵浦模块用以产生泵浦光，所述泵浦光用于激发增益模块中的悬浮颗粒增益介质形成粒子数反转，进而实现增益模块储能；增益模块，所述增益系统为本发明第一方面所提供的分布式悬浮颗粒增益模块，所述分布式悬浮颗粒增益模块用于利用内部存储的泵浦光能量为振荡激光提供增益；谐振模块，所述谐振模块用于形成激光振荡，提取所述增益模块中的储能以实现激光增益，并将部分振荡激光发射出来以实现激光输出。本发明所提供的分布式增益悬浮颗粒激光器，是利用分布式悬浮颗粒增益模块所研制的激光器，不仅克服了传统液体激光机荧光猝灭的问题，还通过保留的液体激光器高效的流动换热方式，有力地克服了固体激光器的热效应难题，打破了固体激光器的热效应瓶颈，获得更高功率的激光输出。本发明所提供的分布式增益悬浮颗粒激光器还利用分布式悬浮颗粒增益模块紧凑灵活的优越特性，大幅减小激光器的整体重量和体积，进而达到实现大功率激光器小型化的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例所提供的分布式悬浮颗粒增益模块第一结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的分布式悬浮颗粒增益模块第二结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的悬浮颗粒分层组件的结构示意图；

图4为本发明所提供的分布式悬浮颗粒增益模块中入口(出口)蜂窝器和入口(出口)阻尼网的结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的层流流体腔的分区示意图；

图6为本发明实施例所提供的激光器结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

在一个可选的实施例中，请参见图1，图1为本发明实施例所提供的分布式悬浮颗粒增益模块第一结构示意图。如图1所示，所述分布式悬浮颗粒增益模块包括：增益介质，循环组件2以及分层组件。

在本实施例中，所述增益介质为悬浮液，所述悬浮液中溶剂和溶质的折射率匹配，所述溶质为固体发光颗粒1。

所述匹配是指溶剂和溶质的折射率相同，或者近似相同。当两种溶剂和溶质的折射率不匹配时，光线在两种物质之间的界面上会发生折射和反射，这样影响激光增益效果。

应当理解，本实施例中所提供的核心增益介质为固体发光颗粒1，固体发光颗粒1不仅保留了固体激光介质优异的激光性能。

具体地，所述增益介质包括以Nd

在其他的一个或者一些可选的实施例中，还可以通过控制所述固体发光颗粒1的颗粒尺寸，修饰所述固体发光颗粒1的颗粒表面形貌等方式，进一步提升对应增益介质的激光增益效果。

同时，本实施例中所提供的增益介质还是以固体发光颗粒1作为溶质的液体增益介质，因此，还具有液体增益介质优异的流动热管理能力。

在本实施例中，所述循环组件2用于为所述增益介质的循环流动提供路径和动力。

可以理解，通过循环组件2的循环作用，悬浮液中的固体发光颗粒1可以更均匀地分布在整个介质中，从而实现更高的激光增益效率。

此外，循环组件2的循环作用还有助于快速带走产生的热量，有效地减轻了热效应的问题。为加速废热的散发，在其他的一个或者一些可选的实施例中，请参见图2，图2为本发明实施例所提供的分布式悬浮颗粒增益模块第二结构示意图。所述分布式悬浮颗粒增益模块还包括：冷却组件4，所述冷却组件4用于给所述增益介质散热。

具体地，所述冷却组件4可以是基于液冷技术而实现散热的功能组件，也可以是基于风冷技术或者其他散热技术而实现散热的功能组件。在实际适配冷却组件4时，需要综合考虑热量传导效率、体积、可靠性等因素来选择合适的冷却组件4，以确保增益介质能够在高热负载下以恒定温度工作，从而支持激光器的连续稳定运行。

如图2所示，通过冷却组件4对增益介质进行实时散热，使得增益介质能够在高热负载下以恒定温度工作，以保障基于分布式悬浮颗粒增益模块的激光器以连续工作模式长时间运行。

在本实施例中，所述层流组件3与所述循环组件2连通，所述层流组件3用于使得流经层流组件3的增益介质形成层流流态。

层流是一种流体流动状态，层流流态下的流体在不同速度层之间具有平稳的分层流动，没有明显的涡旋或混乱。在层流流态下的增益介质中的固体发光颗粒1分布均匀，为实现高效率的激光增益提供了有效的介质基础。

进一步可以理解的是，基于该分布式悬浮颗粒增益模块所构建的激光器，其光学窗口即设置在增益介质形成层流流态的位置，以保证高激光增益效率。

本实施例中所提供的分布式悬浮颗粒增益模块，使用固体发光颗粒1作为核心增益介质，不仅在一定程度上避免了液体激光增益介质普遍存在的荧光淬灭问题，提高了激光效率；还借助悬浮液的流动性快速带走废热，进而有力地克服固体增益模块的热效应。

进一步地，在一个可选地实施例中，请参见图3，图3为本发明实施例所提供的悬浮颗粒分层组件的结构示意图。如图3所示，以悬浮液的流动方向为正方向，本实施例所提供的层流组件3依次包括：入口组件，分层组件以及出口组件。

如图3所示，所述入口组件与所述循环组件2连通；所述分层组件包括多个并行的层流流体腔35，所述分层组件与所述入口组件连通；出口组件，所述出口组件与所述分层组件连通。

应当理解，层流组件3中可以是单层的层流流体，也可以是多层的层流流体。在本实施例中，为在紧凑结构内实现了极大的增益体积，层流组件3利用分层组件实现了多层的层流流体。进一步地，在本实施例中，上述光学窗口依旧设置在增益介质形成层流流态的位置，以保证高激光增益效率。

本实施例中所提供的分布式悬浮颗粒增益模块，其层流组件3利用分层组件中多个并行的层流流体腔35，在保证任一个层流流体腔35内增益介质能形成层流流态的同时，还在紧凑结构内实现了极大的增益体积。这样的分布式悬浮颗粒增益模块，有助于构建具有更高功率激光输出的高光束质量激光器。

更进一步地，在又一个可选地实施例中，请参见图3和图4，图4为本发明所提供的分布式悬浮颗粒增益模块中入口(出口)蜂窝器和入口(出口)阻尼网的结构示意图，以悬浮液的流动方向为正方向，所述入口组件依次包括：入口法兰31、入口缓冲管32、入口蜂窝器33以及入口阻尼网34。

在本实施例中，所述入口缓冲管32的一端通过所述入口法兰31与所述循环组件2连通；所述入口蜂窝器33上设置有阵列分布、大小均匀的导通孔331，所述蜂窝器设置于所述入口缓冲管32背离所述入口法兰31的一端；所述入口阻尼网34的一侧贴附于所述蜂窝器背离所述入口缓冲管32的一侧，所述入口阻尼网34的另一侧贴附于所述层流组件3的一端。进一步地，如图4所示，所述入口阻尼网34的单个孔面积小于入口蜂窝器33上单个导通孔331的面积。

本实施中的分布式悬浮颗粒增益模块，通过这种入口设计，可以有效地引导增益介质流量均匀地进入各个层流流体腔35，可以避免某个流体腔流量过小所导致的热安全性问题。

为进一步保证流入多个层流流体腔35的流量均匀，在其他的一个或者一些可选地实施例中，基于上述入口组件，在本实施例中，以悬浮液的流动反方向为正方向，所述出口组件依次包括：出口法兰39、出口缓冲管38、出口蜂窝器37以及出口阻尼网36。

请参见图3和图4，所述出口缓冲管38的一端通过所述出口法兰39，与所述循环组件2连通；所述出口蜂窝器37上设置有阵列分布、大小均匀的导通孔，所述出口蜂窝器37设置于所述出口缓冲管38背离所述入口法兰31的一端；所述出口阻尼网36的一侧贴附于所述蜂窝器背离所述出口缓冲管38的一侧，所述出口阻尼网36的另一侧贴附于所述层流组件3的另一端。同理，进一步地，所述出口阻尼网36的单个孔面积小于出口蜂窝器37上单个导通孔的面积。

这个或者这些实施例通过入口组件与出口组件的镜像对称设置，可以有效地保证流体的压力调节与平稳回流，有助于维持增益介质的稳定流动，提升高功率激光器的效率和性能。

为进一步保证流入多个层流流体腔35的流量均匀，基于上述入口组件的实施例或者基于上述入口组件和出口组件镜像匹配的实施例，又在其他的一个或者一些可选地实施例中，请参见图3和图4。

在本实施例中，所述层流流体腔35的数量和位置与所述导通孔331的数量和位置适配，适配方式包括如下规则：若所述层流流体腔35的数量为m，则任一个层流流体腔35对应的导通孔331数量为n，其中，m为所述导通孔331的行数，n为所述导通孔331的列数；若所述层流流体腔35的数量为n，则任一个层流流体腔35对应的导通孔331数量为m，其中，m为所述导通孔331的行数，n为所述导通孔331的列数。

具体地，如图4中所展示的入口蜂窝器33上的虚线为分界线，任两条相邻分界线(包括蜂窝器边缘)之间导通孔331所流出的增益介质，对应同一个层流流体腔35，且任一个层流流体腔35具有相同的结构参数。如图4所示，该入口蜂窝器33上具有10×10个导通孔331。因此，层流流体腔35的数量为10，任一个层流流体腔35所对应的导通孔331数量也为10。

本发明通过层流流体腔35和导通孔的数量和位置适配，实现了有效的流体控制和分布，使增益介质流量均匀地进入各个层流流体腔35，可以避免某个流体腔流量过小所导致的局部散热能力下降。

为了使得增益介质在层流流体腔35中更好地形成层流流态，在其他的一个或者一些可选地实施例中，请参见图5，图5为本发明实施例所提供的层流流体腔的分区示意图。如图5所示，发明所提供方的分布式悬浮颗粒增益模块，以悬浮液的流动方向为正方向，其任一个层流流体腔35，依次包括：入口收缩区1、入口弛豫区2、层流增益区3、出口弛豫区4、出口扩散区5。图5中，R表示各处内径，D1、D2、D3、D4、D5依次分别表示入口收缩区1、入口弛豫区2、层流增益区3、出口弛豫区4、出口扩散区5的长度。

所述入口收缩区1的进口内径大于所述入口收缩区1的出口内径。入口收缩区1是层流流体腔35的起始区域，位于流动方向的前端。悬浮液在这个区域内会从宽敞的入口逐渐收缩到较小的出口，以有助于实现流体速度的平稳过渡。

所述入口弛豫区2的各处内径与所述入口收缩区1的出口内径一致。入口弛豫区2是一个内径恒定的区域，有助于平滑流体的速度和流线。

所述层流增益区3内增益介质的流动形态为层流流态，所述层流增益区3的各处内径与所述入口收缩区1的出口内径一致。应当理解，悬浮液在经过一段内径恒定的入口弛豫区2的平滑作用下，在层流增益区3能够保持稳定的层流流体特性。

进一步地，基于该分布式悬浮颗粒增益模块所构建的激光器，其光学窗口设置在增益介质形成层流流态的位置，即所述光学窗口设置在本实施例所提出的层流增益区3。

为保证激光在光学窗口的界面损耗，以提高激光转换效率，在其他的一个或者一些可选地实施例中，在所述层流流体腔35在所述层流增益区3位置处腔体材质的折射率与所述增益介质的折射率匹配。

可以进一步理解为，所述层流流体腔35在所述层流增益区3设置光学窗口，所述光学窗口处的腔体材质的折射率与所述增益介质的折射率匹配。激光穿过折射率匹配的光学窗口和增益介质时，界面损耗大大减小，可有效提升激光转换效率。

所述出口弛豫区4的各处内径与所述入口收缩区1的出口内径一致。出口弛豫区4也是一个内径恒定的区域，有助于平滑流体的速度和流线。

所述出口扩散区5的进口内径与所述出口弛豫区4的孔径一致，所述出口扩散区5的出口内径大于所述出口扩散区5的入口内径。出口扩散区5，可以促使流体从较小的出口扩散到更大的出口，从而减小流体的速度，实现出口流速的缓慢增加。

应当理解，层流流体腔35的结构参数(包括内径R以及各区域的长度D)，尤其是层流流体腔的，会对流入悬浮液的流速以及流速均匀性造成影响。

针对任一个层流流体腔，其可以是如图1或者图2所示意的平行层流流体腔，即流体腔的内径相同，没有变化。也可以是本实施例所提出的喇叭形的层流流体腔35。但是，平行层流流体腔会形成较长的弛豫段，不符合激光器小型化设计趋势以及实际应用需求，该弛豫段内任一垂直于流速方向的界面内，多个位置处悬浮液的流速有较大差异。而喇叭形的层流流体腔35通过变径的方法，逐步压缩流入悬浮液，以缩减流体在流体腔内的弛豫段长度。

进一步地，针对本实施例所提出的喇叭形的层流流体腔35中，入口收缩区1、入口弛豫区2、层流增益区3、出口弛豫区4、出口扩散区5的具体长度参数设定，可综合粒子追踪法测定不同位置处粒子速度后进设定。

本发明所提供的分布式悬浮颗粒增益模块，以本实施例所提出的层流流体腔35的设计，通过收缩、弛豫和扩散区域的合理配置，有效地形成并维持层流流体腔35中增益介质的层流流动状态，优化了流体流动，可避免湍流致光束质量恶化，有助于实现稳定的高功率激光输出。

基于上述分布式悬浮颗粒增益模块，在一个可选的实施例中，本发明还提供了一种激光器，请参见图6，图6为本发明实施例所提供的激光器结构示意图。如图6所示，所述激光器包括：泵浦模块5、增益模块以及谐振模块6。

在本实施例中，所述泵浦模块5用以产生泵浦光，所述泵浦光用于激发增益模块中的悬浮颗粒增益介质形成粒子数反转，进而实现增益模块储能。

进一步地，泵浦模块5的选择通常基于所使用的悬浮颗粒增益介质的特性和工作波长。例如，如果悬浮颗粒增益介质对于某一特定泵浦波长具有较高的吸收效率，那么可以选择泵浦模块5输出该波长的激光。泵浦模块5的功率和能量密度需要足够高，以确保激发悬浮颗粒增益介质达到所需的增益水平。

在本实施例中，所述增益系统为上述实施例所提供的分布式悬浮颗粒增益模块，所述分布式悬浮颗粒增益模块用于利用内部存储的泵浦光能量为振荡激光提供增益。

进一步地，该分布式悬浮颗粒增益模块，使用固体发光颗粒1作为核心增益介质，不仅在一定程度上避免了液体激光增益介质普遍存在的荧光淬灭问题，提高了激光效率；还借助悬浮液的流动性快速带走废热，进而有力地克服固体增益模块的热效应。

在本实施例中，所述谐振模块6用于形成激光振荡，提取所述增益模块中的储能以实现激光增益，并将部分振荡激光发射出来以实现激光输出。

进一步地，谐振模块6可以采用多种技术和组件，如输出耦合镜、半透镜、光纤耦合器等。应当注意的是，谐振模块6的设计目标是实现高效的激光输出和光学腔的稳定性。它需要确保激光能够有效地从光学腔中耦合出来，并保持激光的高质量模式和方向性。同时，谐振模块6还可以提供反馈机制，用于调整和优化激光输出的特性，例如频率稳定性和光谱纯净度。

本发明所提供的分布式增益悬浮颗粒激光器，是利用分布式悬浮颗粒增益模块所研制的激光器，不仅克服了传统液体激光机荧光猝灭的问题，还通过保留的液体激光器高效的流动换热方式，有力地克服了固体激光器的热效应难题，打破了固体激光器的热效应瓶颈，获得更高功率的激光输出。本发明所提供的分布式增益悬浮颗粒激光器还利用分布式悬浮颗粒增益模块紧凑灵活的优越特性，大幅减小激光器的整体重量和体积，进而达到实现大功率激光器小型化的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。