CN103326218B - 激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

一种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

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，特别是一种基于拼接技术的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，各种光放大装置得到长足的发展，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,这已得到了科研人员的证明，见文献【KlausErtel,ChrisHooker,SteveJ.Hawkes,etal,OPTICSEXPRESS,16,8049,(2008)】，因此为了得到更强的激光脉冲，就需要加大激光晶体的通光口径，同时限制寄生振荡的产生。

我们以钛宝石作为激光晶体的飞秒激光放大系统为例，通过对F-N方程的运用，可以知道，对于所需要的飞秒脉冲能量密度，激光晶体内储存的能量起着关键性的作用。这由两方面因素所决定，吸收系数和泵浦光能量密度。如图1所示，在泵浦光分别为100焦耳和150焦耳时输出能量与晶体吸收系数的关系，光斑直径为3.4cm，其中横轴代表晶体吸收系数，纵轴代表输出能量。此时可以看出为达到所需的能量输出，泵浦光能量和吸收系数是关键参数。单从F-N方程上讲，大的激光脉冲输出需要较高的吸收系数和较高的泵浦能量密度，但单纯的加大泵浦光能量密度和改用吸收系数较大的激光晶体也会带来问题，如晶体的破坏和寄生振荡的产生。如图2所示，在泵浦光为100焦耳和60焦耳时，寄生振荡形成程度和晶体吸收系数的关系，光斑直径为3.4cm，根据激光晶体寄生振荡形成条件，图中纵轴代表寄生振荡的条件，RRG=1是代表寄生振荡形成，会对激光晶体上能级的粒子数密度产生较大的消耗。过高的泵浦光能量密度和过高的吸收系数会引起强烈的寄生振荡从而消耗激光晶体存储的能量，减小放大效率。通过拼接激光晶体，可以得到更大通光口径的激光晶体，这样可以在相同的泵浦能量的条件下得到较小的泵浦光能量密度，进而减小寄生振荡和对激光晶体毁伤的可能性。同时由于拼接激光晶体的特点，可以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。

拼接装置中，小口径激光晶体通光长度的不同会带来放大脉冲空间上不同位置的光程差，这些光程差会带来对放大的激光脉冲在时域和空间分布上的影响，在时域上表现为脉宽加宽乃至分裂成时间维度上的前后两个脉冲，在空间上的表现为光斑在焦点处变大甚至分裂，这也正是激光组束技术所面临的关键问题之一【孙玲，赵鸿等，激光与红外，37，111（2007）】。作为晶体拼接技术来讲可以先将激光晶体进行拼接固定再对激光晶体的通光表面用研模机进行打磨抛光，目前对激光晶体表面的打磨可以得到λ/10或更高，远高于会影响激光脉冲时域和空间分布影响的微米量级误差容限，从而避免因光在晶体内的光程差引起恶劣影响。另外，由于激光晶体多是各向异性的，所以不同光轴取向会对不同的波长产生不同的透过率从而对光谱产生调制，见文献【YuxinLeng，LihuangLin，WenyaoWang，YunhuaJiang，etal，optics&lasertechnology，35，425（2003）】通过分析如图3和图4所示：对光谱的调制会使脉冲在时域上形成两个对称的旁瓣脉冲，不同的激光晶体光轴方向会使形成的旁瓣脉冲与主脉冲的时间距离产生不同，同时激光晶体的长度和光轴方向同样会影响调制深度，使形成的时域旁瓣脉冲的大小产生不同，较大的旁瓣会使主脉冲变弱。以两块激光晶体拼接为例，计算表明该拼接方式若光轴在垂直通光方向上的角度差小于10°则所产生的旁瓣在10%以下。拼接也会不可避免产生接缝，接缝的存在也会对放大脉冲的光斑产生影响，这种影响直接就会反映在聚焦光斑上，通过计算我们也得到图5和图6，图5代表光斑通过没有接缝的激光晶体和聚焦后的光斑形状，图6代表光脉冲通过有接缝的拼接激光晶体和聚焦后的脉冲形状。

发明内容

本发明的目的在于提供激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法，该装置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，且应用方便成本较低，易于实现。

本发明的技术解决方案如下：

一种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正方形方形柱体，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将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。

本发明具有以下显著特点：

本发明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。

由于应用了激光晶体拼接技术而得到了大通光口径的激光晶体，有效地降低了泵浦光的能量密度，因此降低了晶体寄生振荡的影响，同时也减小了晶体热效。

本发明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半导体致冷器的冷却头等，减小寄生振荡和热效应。

先对拼接的激光晶体进行固定，然后对拼接后的大通光口径激光晶体进行的整体的通光表面用研模机打磨，减小由于各个小口径激光晶体通光长度的不同而带来的放大脉冲空间上不同位置的光程差，相对激光组束技术更易实现，调节更加简单。

由于大通光口径单块激光晶体受到生长工艺的限制价格普遍较高，采用本发明多块激光晶体拼接技术可以有效降低成本。

附图说明

图1是不同泵浦能量，输出脉冲能量与激光晶体吸收系数的关系示意图。

图2不同泵浦能量，激光晶体吸收系数与寄生振荡情况的关系。

图3是因为激光晶体晶轴取向的改变对光谱所产生的光谱调制。

图4是因为激光晶体晶轴取向的改变在时域上产生的影响。

图5是晶体无接缝时对聚焦光斑的影响。

图6是晶体有接缝时对聚焦光斑的影响。

图7是本发明激光晶体通光口径扩大装置分解图。

图8是固定架及晶体拼接方式的立体示意图。

具体实施方式

请参阅图7，本发明激光晶体通光口径扩大装置，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。

上述激光晶体通光口径扩大装置的安装方法，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正方形方形柱体，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6拼接后的激光晶体为一块较大的正方形柱体，如图8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。

实验表明，本发明可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，且应用方便成本较低，易于实现。

Claims (2)

1.一种激光晶体通光口径扩大装置，该装置包括晶体(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两个第一螺孔(4)和第二螺孔(5)，两个第一螺栓(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内孔中放置晶体(6)，通过所述的第一螺栓(2)和第二螺栓(3)锁紧；其特征在于所述的晶体(6)为拼接后的激光晶体，在所述的激光晶体的拼接接缝处填充有折射率与激光晶体相近的填充物(7)，所述的填充物(7)包括胶质材料的吸收体、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正方形柱体，用金属物质焊接或吸附方式或直接用铟皮包裹方式按两个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。