納米階梯摻雜結構的陽光泵浦雷射工作晶體的製備方法與流程
2023-06-09 07:41:16
本發明涉及一種陽光泵浦雷射工作晶體納米摻雜結構設計，該設計利用雷射工作晶體內部金屬離子的納米級階梯摻雜結構設計提高陽光泵浦工作晶體的「光-光」轉換率，減少入射能力損失，進而優化陽光泵浦雷射器設計。這種納米階梯摻雜結構的雷射工作晶體可以應用到地面或空間陽光泵浦雷射器中，具有「光-光」轉換效率高，散熱小等優點，可廣泛用於地面或空間多種雷射應用中。
背景技術：
：在陽光泵浦雷射器系統中，雷射工作晶體對入射光能量的吸收效率直接決定了系統的總能效和雷射輸出功率。當前的光泵浦雷射晶體中，如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體等，其晶體內部的金屬離子多採用均勻摻雜或者分段數較少的階梯摻雜，這種摻雜結構會導致晶體內部泵浦光入射方向能量吸收不均勻，在晶體內部形成溫度梯度效應、端面形變熱透鏡效應、雙折射效應等，這些熱效應限制了雷射工作晶體對入射光吸收效率的提高，同時限制了雷射器輸出功率的提升。技術實現要素：本發明為克服現有「光-光」泵浦雷射器泵浦光能量吸收不均勻導致的各種熱效應，提出一種應用於太陽光直接「光-光」泵浦雷射器的高能效陽光泵浦雷射工作晶體，該晶體無需改變現有的晶體體積和形態，其內部金屬離子摻雜採用納米摻雜結構，可使晶體內部能量吸收均勻。本發明是通過以下技術方案實現的：本發明提供了一種納米階梯摻雜結構的陽光泵浦雷射工作晶體的製備方法，其包括如下步驟：S1：利用雷射工作晶體介質的吸收原理，計算階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi和分段長度Li之間的對應關係，並進一步計算每段晶體的長度和摻雜濃度之間的對應關係；S2：雷射工作晶體介質由雷射工作晶體的基質內部摻雜雷射工作金屬離子形成，如Nd:YAG介質中，基質為YAG晶體，金屬離子為三價釹離子，採用熔融法直接在雷射工作晶體的基質中產生分散的雷射工作金屬離子，根據步驟S1中的理論計算得到的每段晶體的長度和摻雜濃度之間的對應關係，控制製備的條件，使產生的雷射工作金屬離子分布滿足納米階梯分布條件，所產生的雷射工作晶體即成為納米階梯摻雜結構的陽光泵浦雷射工作晶體。作為優選方案，所述階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi和分段長度Li之間的對應關係的計算公式如式I所示：Pi=P01-exp(-α1L1)i=1P0exp(-Σj=1i-1αjLj)1-exp(-αiLi)i2---I,]]>其中，P0為入射光總功率，i＝1，2，3……N，N為雷射晶體分段數，納米階梯摻雜中N取值為正無窮，且有P1＝P2＝……＝PN；αj為工作晶體的吸收係數，吸收係數與摻雜濃度之間有近似的線性關係，如在Nd:YAG晶體中有α(n)＝736n+6，其中α表示吸收係數，單位為m-1；n表示摻雜濃度，單位為at％。作為優選方案，所述每段晶體的長度和摻雜濃度之間的對應關係的計算公式如式II所示：Li=-1ailnN-iη0N-(i-1)η0---II,]]>其中，η0為入射光總吸收效率。作為優選方案，所述η0的計算公式如式III所示：P1=P2=P3=...=PN=P0η0N---III.]]>作為優選方案，所述雷射工作晶體的成分為Nd:YAG。作為優選方案，所述雷射工作晶體的直徑為5～6mm，長度為8mm。作為優選方案，所述雷射工作晶體的端面泵浦時，入射端摻雜三價釹離子的濃度為0.1at％，出射端摻雜三價釹離子的濃度為1at％或2at％，中間部分摻雜三價釹離子的長度和濃度分別按照和計算，其中長度應按照10-7～10-9量級以及實際加工難度均勻劃分。作為優選方案，當入射光的強度不超過4000W/m2時，雷射工作晶體的整體吸收效率控制為80～85％。換言之：本發明的納米階梯摻雜結構的陽光泵浦雷射工作晶體的製備方法，如圖1所示，包括如下步驟：步驟1，製備納米階梯摻雜的「光-光」泵浦雷射工作晶體，利用雷射工作晶體介質的吸收原理，計算階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi(i＝1，2，3……N)和分段長度Li之間的對應關係，令P1＝P2＝……＝Pi，並對分段數N取極限，計算出每段晶體的長度和摻雜濃度的對應關係。步驟2，當N的數值取極限時，階梯效應逐漸顯示出連續性，短距離內的溫度和能量也更加均勻，當摻雜濃度的階梯變化達到納米量級時，工作晶體內部沿著泵浦光入射方向各個位置處的吸收能量和溫度均相同，從而解決了工作晶體內部的熱效應問題，減小熱控系統壓力。所述步驟1包括：(1)在分段階梯摻雜的「光-光」泵浦雷射工作晶體中，各段介質吸收功率的表達式為Pi=P01-exp(-α1L1)i=1P0exp(-Σj=1i-1αjLj)1-exp(-αiLi)i2]]>其中P0為入射光總功率，α1為摻雜係數。i＝1，2，3……N，N為雷射晶體分段數。納米階梯摻雜中N取值為正無窮，且有P1＝P2＝……＝PN。(2)為使「光-光」泵浦雷射工作晶體內各個階段介質吸收功率相同，保證吸收效率恆定需滿足P1=P2=P3=...=PN=P0η0N]]>其中η0為入射光總吸收效率，據此可以計算出每段介質的長度Li=-1ailnN-iη0N-(i-1)η0]]>令N趨於無窮大，則Li趨於0，即達到納米階梯，此時晶體內部階梯數無窮大，在入射光徑向能量均勻分布。(3)採用熔融法直接在雷射工作晶體基質(YAG)中產生分散的雷射工作金屬離子，通過步驟1中的理論計算結果，經合理控制製備的條件，使產生的雷射工作金屬離子分布滿足納米階梯分布條件，所產生的雷射工作晶體即成為納米階梯摻雜結構「光-光」泵浦雷射工作晶體。在實際應用中，Nd:YAG雷射工作晶體的外形尺寸需要按照輸出功率和入射光強度綜合考慮設計。所述納米階梯摻雜雷射工作晶體設計針對直徑5～6mm，長度8mm的Nd:YAG雷射工作晶體。當端面泵浦時，摻雜三價釹離子(Nd3+)濃度為入射端(0mm處)0.1at％，出射端(8mm處)1at％或2at％，中間部分摻雜濃度按照所述公式計算，當入射光強度不超過4000W/m2時，整體吸收效率控制在80～85％。本發明由以上步驟和原理構成，研製成一種對入射太陽光能量均勻吸收的「光-光」泵浦雷射工作晶體。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：本發明通過非均勻摻雜，使泵浦光能量在工作介質內各部分均勻吸收，進而減少熱量分布的不均衡。在不降低總體吸收效率的情況下，既能避免局部溫度過高，又可以避免溫度階梯的產生。附圖說明通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：圖1是雷射晶體均勻摻雜與階梯摻雜的加工流程示意圖；圖2是雷射晶體端面泵浦納米階梯摻雜的工作原理圖；圖3是納米階梯摻雜結構能量吸收的工作過程圖；圖4為側面泵浦工作方式下雷射工作晶體內部金屬離子摻雜分布圖；圖5為「端、側面」混合泵浦工作方式下雷射工作晶體內部金屬離子摻雜分布圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。本發明提供了一種納米階梯摻雜結構的陽光泵浦雷射工作晶體的製備方法，其包括如下步驟：S1：利用雷射工作晶體介質的吸收原理，計算階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi和分段長度Li之間的對應關係，並進一步計算每段晶體的長度和摻雜濃度之間的對應關係；S2：雷射工作晶體介質由雷射工作晶體的基質內部摻雜雷射工作金屬離子形成，如Nd:YAG介質中，基質為YAG晶體，金屬離子為三價釹離子，採用熔融法直接在雷射工作晶體的基質中產生分散的雷射工作金屬離子，根據步驟S1中的理論計算得到的每段晶體的長度和摻雜濃度之間的對應關係，控制製備的條件，使產生的雷射工作金屬離子分布滿足納米階梯分布條件，所產生的雷射工作晶體即成為納米階梯摻雜結構的陽光泵浦雷射工作晶體。作為優選方案，所述階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi和分段長度Li之間的對應關係的計算公式如式I所示：Pi=P01-exp(-α1L1)i=1P0exp(-Σj=1i-1αjLj)1-exp(-αiLi)i2---I,]]>其中，P0為入射光總功率，i＝1，2，3……N，N為雷射晶體分段數，納米階梯摻雜中N取值為正無窮，且有P1＝P2＝……＝PN；αj為工作晶體的吸收係數，吸收係數與摻雜濃度之間有近似的線性關係，如在Nd:YAG晶體中有α(n)＝736n+6，其中α表示吸收係數，單位為m-1；n表示摻雜濃度，單位為at％。作為優選方案，所述每段晶體的長度和摻雜濃度之間的對應關係的計算公式如式II所示：Li=-1ailnN-iη0N-(i-1)η0---II,]]>其中，η0為入射光總吸收效率。作為優選方案，所述η0的計算公式如式III所示：P1=P2=P3=...=PN=P0η0N---III.]]>作為優選方案，所述雷射工作晶體的成分為Nd:YAG。作為優選方案，所述雷射工作晶體的直徑為5～6mm，長度為8mm。作為優選方案，所述雷射工作晶體的端面泵浦時，入射端摻雜三價釹離子的濃度為0.1at％，出射端摻雜三價釹離子的濃度為1at％或2at％，中間部分摻雜三價釹離子的長度和濃度分別按照和計算，其中長度應按照10-7～10-9量級以及實際加工難度均勻劃分。作為優選方案，當入射光的強度不超過4000W/m2時，雷射工作晶體的整體吸收效率控制為80～85％。如圖2所示，利用「光-光」泵浦雷射工作晶體內部的納米階梯摻雜結構，在入射光端面開始逐漸提高雷射晶體內部金屬離子的摻雜濃度，進而逐漸提高晶體內部的入射光吸收能力，隨著入射光功率在徑向的逐漸降低，使晶體內部功率吸收均衡，達到晶體發熱均勻的目的。如圖3所示，該系統的工作過程如下：步驟一，當入射光(陽光)到達雷射工作晶體端面時，由於此時入射光前端功率較高，若雷射晶體採用均勻摻雜結構，則在雷射晶體的入射端面處會聚集較大功率；採用納米階梯摻雜，由於端面處吸收係數較低，則端面處吸收功率並未聚集較大功率。步驟二，在晶體內部，由於入射光前端功率不斷被吸收，導致前端功率下降，因此在晶體內部入射光徑向形成能量衰減，此時均勻結構會導致晶體內部能量吸收衰減，而納米階梯摻雜結構則通過提高吸收係數的方式使各部分晶體能量吸收均衡。所述納米階梯摻雜雷射工作晶體設計針對直徑5mm-6mm，長度8mm的圓柱形Nd:YAG雷射工作晶體。摻雜三價釹離子(Nd3+)濃度為入射端(0mm處)0.1at％，出射端(8mm處)1at％或2at％，中間部分摻雜濃度按照所述公式計算，當入射光強度不超過4000W/m2時，整體吸收效率控制在70％-80％。步驟三，在均勻摻雜情況下，由於晶體內局部吸收的能量與散發的熱量成正比，因此帶來晶體內部熱量分布不均，一定時間內形成熱透鏡和熱梯度效應。而採用納米階梯摻雜，工作晶體內部各部分能量分布均勻，熱耗均衡，抑制量熱透鏡或熱梯度效應的產生。如圖4所示，為側面泵浦工作方式下雷射工作晶體內部金屬離子摻雜分布圖。其原理是在圓柱體雷射晶體外側摻雜低濃度的金屬離子，在納米尺度下，越靠近圓柱體中心摻雜濃度越高，則在晶體內部可實現從外側至軸心的入射光均勻吸收。所述納米階梯摻雜雷射工作晶體設計針對直徑5mm～6mm，長度8mm的圓柱形Nd:YAG雷射工作晶體。摻雜三價釹離子(Nd3+)濃度為外側面(0mm處)0.3at％，晶體軸心處(2.5mm或者3mm處)2at％，中間部分摻雜濃度按照所述公式計算，當入射光強度不超過4000W/m2時，整體吸收效率控制在80～85％。如圖5所示，為「端、側面」混合泵浦工作方式下雷射工作晶體內部金屬離子摻雜分布圖。由於端面和側面同時有泵浦光輸入，因此需要在兩端面處降低金屬離子摻雜濃度。「光-光」泵浦系統主要有端面泵浦、側面泵浦、「端、側面」混合泵浦等幾種工作方式，泵浦光輸入方式不同則工作晶體的納米階梯摻雜結構也不同。無論採用何種工作方式，納米階梯摻雜的原則都是在入射光端面處降低摻雜濃度，在入射光徑向逐漸增加摻雜濃度，維持晶體內部的能量均衡吸收。所述納米階梯摻雜雷射工作晶體設計針對直徑5～6mm，長度8mm的圓柱形Nd:YAG雷射工作晶體。摻雜三價釹離子(Nd3+)濃度為外側面(距離軸心0mm處)0.2at％，晶體軸心處(軸心處)2at％；兩端面處摻雜濃度為0.2at％，中間部分摻雜濃度按照所述公式計算，當入射光強度不超過4000W/m2時，整體吸收效率控制在85～90％。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。當前第1頁1 2 3