CN103259165B - 多通激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

一种多通激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法，该装置包括激光晶体、固定架和第一个螺栓和第二个螺栓，上述元部件的位置关系如下：所述的固定架包括两个相同的夹具，该夹具呈内直角而外圆的柱体结构，两个夹具的体内设有垂直于两个夹具的结合面的第一个螺孔和第二个螺孔，两个螺栓穿过所述的第一个螺孔和第二个螺孔后构成内具方形长孔的外圆柱体，所述的方形长孔与所述的外圆柱同心，在所述的固定架的方形内孔中放置拼接后的激光晶体，通过所述的第一个和第二个螺栓锁紧。本发明有效地扩大了激光晶体的口径，同时可以减小寄生振荡及热效应，具有易于调节，安装方便，结构稳固，成本较低的特点。

Description

多通激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及激光放大装置，特别是一种多通激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法。

背景技术

近年来，随着对强场科学的不断深入发展，对超强超短激光能量和强度要求的不断提高，各种光放大方法得到长足的发展，在这种系统中激光晶体是核心的器件，要得到大能量高强度的激光脉冲往往需要大通光口径的激光晶体和较强的泵浦光。但大尺寸的激光晶体，和高能量密度的泵浦光会同时带来一些问题，其中包括激光晶体生长技术所限，无法得到足够大的激光晶体。还有由于晶体横向尺寸加大而引起激光晶体侧面之间的激光寄生振荡，寄生振荡的存在会很大程度的消耗激光晶体上能级的粒子数密度，从而使得系统对脉冲种子光的放大效率降低，使得输出能量不能满足需要，应用激光晶体的拼接技术及方法可以较好的解决这些问题，如通过拼接的方式可以加大光放大系统的通光口径从而在不减小泵浦光能量的情况下减小了泵浦光的能量密度，避免了激光晶体的损伤，加大了寄生振荡形成的阈值，进而提高了输出能量；通过对单个组成大通光口径激光晶体的小口径激光晶体进行处理，如在接缝处填充折射率与激光晶体相近的胶质材料做的吸收体包边，片状匹配液循环冷却头或是片状TEC（半导体致冷器）冷却头等，减小寄生振荡和热效应。通过采用对拼接激光晶体的整体用研模机打磨的方法有效的减小因拼接装置中小口径激光晶体通光长度的不同所带来的光程差对放大的激光脉冲在时域和空间分布上的影响，较激光组束技术更易实现和稳定的运行等等。

在实现激光放大过程中，可以通过提高激光在晶体内的放大通数，在一定程度内实现放大效率的提升，尤其在种子光能量密度较低时尤为显著，见文献【L.M.Frantz,etal,J.Appl phys,34,2346,(1963)】。我们以钛宝石飞秒激光系统的双通放大系统为例，通过对F-N方程的运用，得到单通与多通光放大的输出能量上的比较关系，如图1所示，设泵浦光与入射光（种子光）入射光斑面积相同，图中点状线代表双通放大，星状线代表单通放大，横轴代表吸收系数，纵轴代表放大能量。通过图中两条曲线看出在双通放大中泵浦光被提取的效率更为高效，而单通放大相对较低，从图中我们还可以得到，在入射光（种子光）的能量密度较低的情况下，使用双通放大或多通放大可以得到更高的能量输出。

此外，由于采用多通放大方式，激光晶体对种子光的光谱调制也会发生变化，以钛宝石为例，通过理论计算得到图2-图5所示，图2代表采用单通放大时的光谱调制，图3代表因这种调制脉冲在时域上的表现，图4代表采用多通放大时的光谱调制图5代表因这种调制多通脉冲在时域上的表现。从图中可以看出，由于增加了通数的影响，激光晶体对光谱的调制深度有所增加，调制各衰减中心的开口宽度也会有所增加，最终这种调制上的差异会使得时域脉冲的旁瓣与中心主极大脉冲的时间间隔发生变化，但对主极大的强度和脉宽不会造成显著的影响。这可以通过更加精细控制激光晶体光轴角度误差来减小对光谱和时域脉冲的影响，计算表明若是角度误差控制在5°以下则单通与多通在光谱调制和时域脉冲形状上差别不大。

由于系统采用多通放大的方式，因此种子光会多次通过激光晶体，在本系统中由于拼接接缝的原因，若是两次通过激光晶体的光斑重合的不好，会使光斑在聚焦处产生一定程度的旁瓣如图6和图7所示，图6代表第一次通过激光晶体时对聚焦光斑产生的影响，图7代表激光第二次通过晶体因激光晶体上的光斑重合不好，在光斑上产生两条接缝的“暗区”，两条“暗区”距离为2.5倍的接缝宽度，且在系统接缝的宽度占通光口径的5%时，聚焦后光斑产生了约10%旁瓣。因此在调节时应尽量让两光斑重合，同时还可以控制接缝宽度占整个光斑直径的百分比，计算证明当接缝宽度占整个光斑直径的2.5%时就不会对聚焦光斑产生过大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多通激光晶体通光口径扩大装置及安装方法，该装置具有放大效率高，系统易实现，运行更为稳定，成本更低的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种多通激光晶体通光口径扩大装置，其特点在于该装置包括激光晶体、固定架和第一个螺栓和第二个螺栓，上述元部件的位置关系如下：

所述的固定架包括两个相同的夹具，该夹具呈内直角而外圆的柱体结构，两个夹具的体内设有垂直于两个夹具的结合面的第一个螺孔和第二个螺孔，两个螺栓穿过所述的第一个螺孔和第二个螺孔后构成内具方形长孔的外圆柱体，所述的方形长孔与所述的外圆柱同心，在所述的固定架的方形内孔中放置拼接后的激光晶体，通过所述的第一个和第二个螺栓锁紧。

所述的激光晶体的拼接接缝处填充有填充物，包括折射率与激光晶体相近的胶质材料的吸收体包边、片状匹配液循环冷却头或是片状半导体致冷器的冷却头。

上述多通激光晶体通光口径扩大装置的安装方法，特征在于该方法包括下列步骤：

①将通光口径较小的激光晶体加工成同一规格长方形方形柱体，然后采用金属物质焊接，用吸附方式或直接用铟皮包裹方式按两个方向的拼接成通光口径较大的激光晶体拼接后的激光晶体为一块较大的正方形柱体，在所述的方形柱体的接缝处填充折射率与激光晶体相近的填充物构成拼接激光晶体；

②将所述的拼接激光晶体置于所述的固定架的方形长孔内，然后，通过所述的第一个螺栓和第二个螺栓将所述的拼接激光晶体锁紧固定。

③所述的固定架置于研磨机上对所述的拼接激光晶体的表面进行打磨抛光，达到满足激光晶体的端面要求

所述多通激光晶体通光口径扩大装置可以应用两个方向拼接的激光晶体通光口径扩大方法的主要核心技术如整体用研模机打磨，对单个组成大通光口径激光晶体的小口径激光晶体进行处理如填充折射率与激光晶体相近的胶质材料做的吸收体包边，片状匹配液循环冷却头或是片状半导体致冷器的冷却头等，固定架的几何形状和安装方式等。

本发明具有以下显著特点：

1、通过对多块通光口径较小的激光晶体进行拼接，能够得到较大通光口径的激光晶体，从而较好的解决了由于激光晶体生长技术无法得到大尺寸激光晶体的问题。

2、通过对若干块小通光口径激光晶体通过单一方向上的队列式排列进行拼接固定，避免了系统放大激光由于对晶体通光表面的斜入射而对光放大带来的不利影响。

3、因为该系统可以用于多通光放大系统，所以整个系统的光放大效率就会相对于单通光放大的方式得到显著的提高，同时降低了入射种子光的能量密度要求。

4、由于基于拼接技术的多通激光晶体通光口径扩大方法的拼接方向为单一方向，因此系统更易实现，同时用研磨机打磨过程和光放大过程的可靠性也更高。

5、基于拼接技术的多通激光晶体通光口径扩大方法可以应用到更多台泵浦用激光器系统中，并且相对于矩阵式拼接的通光口径扩大方法可以减小系统所占空间面积。

6、基于拼接技术的多通激光晶体通光口径扩大方法可以应用两个方向拼接的激光晶体通光口径扩大方法的主要核心技术如整体用研磨机整体打磨，对单个组成大通光口径激光晶体的小口径激光晶体进行处理如填充折射率与激光晶体相近的胶质材料做的吸收体包边，片状匹配液循环冷却头或是片状TEC（半导体致冷器）冷却头等，固定架的几何形状和安装方式等。

附图说明

图1是单通放大与双通（两通）放大在对泵浦光能量提取效率的比较关系。

图2是单通情况下的光谱调制。

图3是单通情况下形成的时域脉冲形状。

图4是多通情况下的光谱调制。

图5是多通情况下形成的时域脉冲形状。

图6是单通光斑和对聚焦光斑的影响。

图7是多通时因两次激光通过晶体因光斑重合不好对聚焦光斑的影响。

图8是本发明的固定架分解图。

图9是固定架及晶体拼接方式的立体示意图。

具体实施方式

这种基于拼接技术的多通激光晶体通光口径扩大方法具有极高的灵活性，可以根据具体的使用情况作相应的改变，如可以用三通，四通或同多通数的放大方式，或是用两台或多台激光器作为泵浦源。

请参阅图8，一种多通激光晶体通光口径扩大装置，其特征在于该装置包括激光晶体6、固定架1和螺栓2和螺栓3，上述元部件的位置关系如下：

所述的固定架1包括两个相同的夹具，该夹具呈内直角而外圆的柱体结构，两个夹具的体内设有垂直于两个夹具的结合面的两个螺孔4和螺孔5，两个螺栓2和螺栓3穿过所述的螺孔4和螺孔5后构成内具方形长孔的外圆柱体，所述的方形长孔与所述的外圆柱同心，在所述的固定架的方形内孔中放置拼接后的激光晶体6，通过所述的螺栓2和螺栓3锁紧。

所述的多通激光晶体通光口径扩大装置，特征在于所述的激光晶体6的拼接接缝处填充有填充物7，包括折射率与激光晶体相近的胶质材料的吸收体包边、片状匹配液循环冷却头或是片状半导体致冷器的冷却头。

3、权利要求1所述的多通激光晶体通光口径扩大装置的安装方法，特征在于该方法包括下列步骤：

①将通光口径较小的激光晶体加工成同一规格长方形柱体，然后采用金属物质焊接，用吸附方式或直接用铟皮包裹方式按单一方向的拼接成通光口径较大的激光晶体6具体的长方形小激光晶体尺寸要使得拼接后的激光晶体为一块较大的正方形柱体如图9所示，在所述的方形柱体的接缝处填充折射率与激光晶体相近的填充物7构成拼接激光晶体；

②将所述的拼接激光晶体置于所述的固定架1的方形长孔内，然后，通过所述的螺栓2和螺栓3将所述的拼接激光晶体锁紧固定。

③将所述的固定架1置于研模机上对所述的拼接激光晶体的表面进行打磨抛光，达到满足激光晶体的端面要求。

Claims (2)

1.一种多通激光晶体通光口径扩大装置，其特征在于该装置包括激光晶体(6)、固定架(1)和第一螺栓(2)和第二螺栓(3)，上述元部件的位置关系如下：

所述的固定架(1)包括两个相同的夹具，该夹具呈内直角而外圆的柱体结构，两个夹具的体内设有垂直于两个夹具的结合面的第一螺孔(4)和第二螺孔(5)，第一螺栓(2)和第二螺栓(3)穿过所述的第一螺孔(4)和第二螺孔(5)后构成内具方形长孔的外圆柱体，所述的方形长孔与所述的外圆柱同心，在所述的固定架的方形长孔中放置拼接后的激光晶体(6)，通过所述的第一螺栓(2)和第二螺栓(3)锁紧，所述的激光晶体(6)的拼接接缝处填充有填充物(7)，包括折射率与激光晶体相近的胶质材料的吸收体包边、片状匹配液循环冷却头或是片状半导体致冷器的冷却头。

2.权利要求1所述的多通激光晶体通光口径扩大装置的安装方法，特征在于该方法包括下列步骤：

①将通光口径较小的激光晶体加工成同一规格长方形柱体，用金属物质焊接或吸附方式或直接用铟皮包裹方式按单一方向拼接成通光口径较大的激光晶体(6)，拼接后的激光晶体为一块较大的方形柱体，在所述的方形柱体的接缝处填充折射率与激光晶体相近的填充物(7)构成拼接激光晶体；

②将所述的拼接激光晶体置于所述的固定架(1)的方形长孔内，然后，通过所述的第一螺栓(2)和第二螺栓(3)将所述的拼接激光晶体锁紧固定；

③将所述的固定架(1)置于研磨机上对所述的拼接激光晶体的表面进行打磨抛光，达到满足激光晶体的端面要求。