CN103650261A - 用于被低温冷却的激光放大器的方法和系统 - Google Patents

用于被低温冷却的激光放大器的方法和系统 Download PDF

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Abstract

用于被低温冷却的激光放大器的方法和系统。一种激光放大器系统，包含具有纵向轴的增益介质，以及大体上平行于该纵向轴的多个侧面。该激光放大器系统，还包含具有多个内表面的波导。每一内表面被光学耦合到该增益介质的多个侧面之一。该波导还包含多个外表面。该激光放大器系统，还包含包层，被光学耦合到该波导的外表面。

Description

用于被低温冷却的激光放大器的方法和系统
交叉参考相关申请
本申请要求2011年6月13日递交的、标题为“Method and Systemfor Cryocooled Laser Amplifier”的美国临时专利申请序号No.61/496,481的优先权，在此全文引用该临时专利申请的公开内容，供所有场合参考。
有关在联邦赞助的研究和开发展下完成的发明的权利声明
按照用于Lawrence Livermore National Laboratory工作的美国能源部与Lawrence Livermore National Security,LLC之间的合同号No.DE-AC52-07NA27344，美国政府在本发明中享有权利。
背景技术
镱掺杂的YAG（Yb:YAG）已经被用作固态激光器增益介质，用于高功率二极管泵激的固态激光器。Yb在940nm上有宽广的18nm宽的吸收带，并在1030nm上产生增益。Yb:YAG激光器和放大器，能够在由高功率1064nm的Nd:YAG激光器/放大器服务的一些应用中被使用，而倍频到515nm的频率能够允许在先前由514nm氩离子激光器服务的一些应用中使用。
尽管在固态激光器和放大器系统的发展中取得了进展，但本领域存在关于固态激光器的改进的方法和系统的需求。
发明内容
本发明一般涉及激光器系统。更具体地说，本发明涉及用于低温冷却的激光放大器的方法和系统，其中增益介质被冷却到预定的温度，同时用于吸收来自增益介质的被放大的自发发射的材料，被操作在比增益介质更高的温度上。只作为例子，本发明已经被应用于有热隔离边缘吸收体的低温冷却的放大器组件。该方法和系统能够被应用于各种其它激光放大器体系结构和激光器系统。
按照本发明的实施例，激光增益材料被操作在低温温度上，而吸收边缘包层被操作在较高温度上，以降低致冷要求并从而增加系统效率。在一些实施例中，低温冷却的增益介质被利用，其中用于吸收诸如ASE的寄生辐射的边缘包层，则被操作在较热的温度上。热隔离能够取光学波导以及增益介质与边缘包层之间的自由空间耦合的形式。本发明的实施例，可应用于Yb以及其他低温冷却的增益介质，并能够按反射式和透射式放大器两种几何配置被实施。
按照本发明的实施例，一种激光放大器系统被提供。该激光放大器系统包含增益介质，该增益介质具有纵向轴和大体上平行于该纵向轴的多个侧面。该激光放大器系统还包含波导，该波导具有多个内表面。每一内表面被光学耦合到该增益介质的多个侧面之一。该波导还具有多个外表面。该激光放大器系统还包含包层，该包层被光学耦合到该波导的外表面。
按照本发明另一个实施例，一种反射光学放大器被提供。该反射光学放大器包含增益元件，该增益元件有输入/输出侧面和背侧面。该增益元件包含增益介质，该增益介质有宽度、长度和小于该宽度和长度的厚度。该增益元件还包含波导和边缘吸收体，该波导部分地包围该增益介质，该边缘吸收体部分地包围该波导。该反射光学放大器还包含反射元件和冷却元件，该反射元件被布置在靠近该背侧面，该冷却元件被布置在靠近该反射元件。
按照本发明的特定实施例，一种光学放大器系统被提供。该光学放大器系统，包含沿纵向方向排列的一组放大器单元。每一放大器单元包含增益板条，可操作的用于放大沿纵向方向传播的光，并且沿横向方向和侧向方向产生ASE。该横向方向垂直于纵向方向，而该侧向方向垂直于该纵向方向和该横向方向。每一放大器单元还包含波导和一组反射器，该波导光学上被耦合到该增益板条的周边部分，该组反射器被光学耦合到该波导，且可操作的用于反射沿该横向方向传播的ASE。每一放大器单元，还包含一组冷却导向器。该组冷却导向器的每一片，被耦合到反射器之一，并可操作的用于引导冷却流体沿横向方向流动。每一放大器单元，另外包含一个或多个吸收边缘包层，被光学耦合到该波导，并可操作的用于吸收沿侧向方向传播的ASE。该光学放大器系统还包含冷却系统，该冷却系统可操作的用于提供沿横向方流动的冷却剂流。
按照本发明另一个特定的实施例，一种操作激光放大器的方法被提供。该方法包含：提供具有纵向轴、横向轴和侧向轴的增益介质；和泵激该增益介质。该方法还包含：引导光沿该纵向轴通过该增益介质；和在增益介质中放大该光。该方法还包含：冷却该增益介质，使该增益介质的特征在于第一温度；和在增益介质中产生ASE。该ASE沿横向轴和侧向轴传播。此外，该方法包含：引导ASE通过光学上被耦合到该增益介质的波导；和在被光学耦合到该波导的边缘包层中，吸收一部分ASE。该包层的特征在于高于第一温度的第二温度。
借助本发明，众多优于常用技术的好处被获得。例如，本发明的实施例，提供的脉冲激光器系统，产生大的脉冲能量并操作在高的重复率上（即，高的平均功率）。在一些实施例中，增益介质的冷却，与常用技术相比，改进固有的激光器效率和贮存寿命（storagelifetime）。通过降低用于冷却被放大自发发射吸收体的电功率的量，本发明的实施例提供比常用系统更高的系统效率。一些实施例，从增益介质的紧邻移除吸收边缘包层，从而显著改进系统效率。本发明的这些和其他实施例，以及许多它的优点和特性，结合下文和附图更详细地被描述。
附图说明
图1按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明作为温度函数的性能系数的倒数；
图2A按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为Nd掺杂玻璃增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率；
图2B按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为200K上Yb:YAG增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率；
图2C按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为150K上Yb:YAG增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率；
图2D按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为200K和150K上Yb:YAG和Nd:玻璃增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率；
图3A是简化示意图，按照本发明实施例，画出有低温冷却的放大器板条配置的端视图；
图3B是简化示意图，按照本发明实施例，画出通过图3A所示放大器板条配置的横截面；
图4按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在各种不同配置中，通过波导的传导的热负荷；
图5是简化横截面示意图，按照本发明实施例，画出锥形的波导；
图6A是按照本发明一实施例的与主动地冷却的反射镜集成的波导配置的简化横截面图；
图6B是图6A所示的与主动地冷却的反射镜集成的波导配置的简化端视图；
图7A是按照本发明实施例的有低温冷却的放大器板条几何配置的简化端视图；
图7B是图7A所示放大器板条几何配置的简化平面图；
图7C是按照本发明实施例的有低温冷却和气体成形（shaping）的放大器板条几何配置的简化端视图；
图8A是按照本发明实施例的有流动挡板的放大器板条几何配置的简化端视图；
图8B是图8A所示放大器板条几何配置的简化平面图；
图9是按照本发明另外实施例的波导配置的简化平面图；
图10A按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，操作在200K上的Yb:YAG增益介质；
图10B按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，操作在150K上的Yb:YAG增益介质；
图10C按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明对若干系统配置，作为峰值泵激功率函数的激光器系统效率；和
图11是简化的流程图，表明按照本发明实施例的操作光学放大器的方法。
具体实施方式
高功率固态激光器，采用被泵激的固态增益介质，以提供光学增益。把这样的激光器按比例放大到更高功率，尤其是脉冲系统中的更高脉冲能量，涉及更大孔径增益介质（即，横跨光轴的更大面积）的使用，以便避开由激光器材料的光学损坏阈值强加的限制。随着孔径大小X的增加，横过光轴传播的光子的光学放大增益G=egX也增加。产生的横向被放大的自发发射（ASE），产生存储在增益介质中的能量的损耗，并使该系统更易于沿横向方向产生寄生激光。
按照本发明的实施例，为了抑制增益介质中的寄生光和避免寄生激光，例如，通过使用在ASE波长上有高光学损耗的边缘吸收体，亦称包层或边缘包层，沿横向传播的ASE被防止造成多次通过该增益介质。一些实施例利用包含增益介质边缘表面的处理的结构（如，AR涂层、斜削的或研磨的表面、或诸如此类）。如在贯穿本说明书的更充分的描述，边缘吸收体的折射率通常精密地与增益介质的折射率匹配，以防止向后反射。
本发明人已经确定，利用低温冷却的Yb掺杂增益介质的常用高能量脉冲激光放大器，如果ASE吸收边缘包层同样被低温冷却，则不能提供优于室温下操作的Nd掺杂增益介质的显著优点。效率－泵激功率权衡（efficiency-pump power tradeoff）对低温冷却的介质更坏，因为与低温下冷却相关联的低效率。按照本发明的实施例，边缘包层与增益介质的热去耦，能使效率-泵激功率权衡显著改进。在此描述的本发明实施例提供的若干设计，获得需要的热去耦，并提供优于常用系统的性能改进。
当激光器被操作在高平均功率上时，显著的热负荷被沉积在边缘吸收体中。本发明的一些实施例，涉及操作在1053nm波长上并使用Nd掺杂的玻璃增益介质的激光放大器束线（beamline）。作为激光器操作和边缘吸收体中热负荷的例子，要从25×25cm2孔径产生6.33kJ的脉冲，1J的光学种子脉冲，需要四次通过作为一对放大器排列的一连串32个玻璃板条。每一板条1cm厚，光学增益为1.05。在这种增益水平上，板条利用872nm上0.5J/cm2/板条的泵激能量，且ASE导致约294J能量在每一放大器板条的边缘包层中被吸收。当操作在15Hz的脉冲重复率时，这对应于4.4kW的热负荷进入每一板条的边缘吸收体中。如此高的热负荷一般将要求边缘吸收体的主动冷却，这能够例如，使冷的流体流动通过吸收体，以抽出热而实现
本发明的一些实施例，能根据Yb离子的光学跃迁，使用低温地冷却的增益介质。这样的材料能够提供改进的光学效率（例如，由于它们低的量子数亏损），并能降低系统成本，因为它们长的激发态寿命（≥1ms），与脉冲系统中较长泵激持续时间兼容，这样降低峰值泵激功率要求并因而二极管泵激的成本。一些关于YAG（钇铝石榴石，Y3Al5O12）晶体或陶瓷基质材料中使用Yb的工作，以及其他关于使用CaF2或倍半氧化物基质的工作，已经完成。一些这些基质，给出与它们有吸引力的热机性质关联的另外的激光器优点。
本发明人已经确定，与大多数Yb掺杂增益介质关联的基本缺点，是要求低温冷却。在室温下，Yb中产生激光跃迁的准3能级（quasi-3-level）本性，由于较低激光能级的热集居而降低光学效率。为此，非常高的泵激强度被要求，以便在室温下用大多数Yb掺杂的介质获得有效的操作。在实际应用中，一般难于获得这样的泵激强度。然而，在足够低的温度下，本发明人已经确定，较低激光能级的热集居极大地被削弱，因此，Yb表现为4能级系统，且光学效率显著改进。
从系统观点看来，总的激光器的电转换功率效率（wallplugefficiency），应当包含冷却要求的功率，以及光学泵激要求的功率。因为致冷效率随下降的温度而下降，低温冷却的Yb介质的改进的光学效率，被边缘吸收体冷却的降低的效率偏移。该冷却效率以“性能系数”（COP）表征，该性能系数，是被移除的热除以要求操作该冷却系统的电功率的比值。图1按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明作为温度函数的COP的倒数。如图1所示，COP随下降的冷却温度迅速恶化。图1所示曲线，包含：从若干源以及理想的Carnot制冷机性能（实线）测量的和计算的数据；经验数据的对数拟合（Emmet等人）；以及另一个人的数据点的对数拟合（Deri对数拟合）。图右部圆圈内的数据点，不包含在该拟合中。图1所示冷却COP中大的下降，能够显著使低温冷却的激光器系统的整个电转换功率效率恶化，其中边缘吸收体是同样被冷却的。
常用的圆盘形激光器的几何配置，把边缘包层定位在很接近增益介质。粘接剂薄层（mm尺度）可以被采用，以连结这些介质，或者它们可以被扩散粘接在一起。无论哪种情形，边缘包层与增益介质很接近，使两种材料操作在非常相似的温度上，以致每一材料的冷却子系统（如，板条面的氦气和边缘包层的液体）也操作在非常相似的温度上。
本文描述的装置的效率和泵激功率要求，能够被计算以分析激光器的性能。作为例子，计算能够对放大器配置进行，该放大器配置操作在6.33kJ/脉冲、使用25×25cm2孔径、以及利用4遍通过。操作在室温下的Nd:玻璃增益介质（如，可从Schott购得的APG-1），或操作在或者150K或者200K温度上的低温冷却的Yb掺杂YAG增益介质，能够被比较。在一些实施例中，该玻璃板条被制成1cm厚，以避免热冲击问题，而YAG厚度取值范围，在一些实施例中高达2cm，以利用它的改进的热机械性质。在两种情形下，放大器板条的数量、每板条的增益系数、以及泵激持续时间被改变，以建立性能最佳区。基于固定泵激能量的效率下，系统被比较。在本文描述的计算中，泵激功率是指768个放大器束线的系统，每一放大器束线包含2个放大器子模块，它产生每脉冲总共4.9MJ的1.05μm波长的激光能量。
激光器性能用Frantz-Nodvik形式计算，使用由实验上报告的、与温度有关的吸收和发射光谱确定的横截面。计算中的激发态寿命参数，是从文献中报告的实验获得的，而ASE情况，是用类似于文献中报告的方法计算的。
为了移除放大器板条的体积内产生的热（如，由于量子数亏损产生的热），气体，诸如5大气压的冷氦气被流过。边缘吸收体中的热，通过使气体或液体（如，冷的碳氟化合物液体）流动通过被包围的区域（如，管道系统）而被移除，该区域被热耦合到该边缘吸收体。该两种冷却剂（如，氦气和碳氟化合物液体）的冷却子系统作为致冷环路被提供，该致冷环路经由热交换器到包含泵或压缩机和被冷却的部件的第二环路提供冷却。用于冷却的电功率，包含泵/压缩机功率（假定为理想值的75%）和电的致冷功率二者，该电的致冷功率作为初级温度（热交换器上）的函数，用拟合到图1所示COP数据的曲线确定。其他模拟参数被概括在表1，该表对各种不同增益介质，提供脉冲激光放大器设计的比较。本发明的实施例不受这些具体增益介质的限制，这些增益介质只为示例性目的被示出。表1出示的Nd:玻璃激光器系统，包含768个放大器束线（1536个放大器），并提供在1.05μm波长上4.9MJ的能量。
表1
Figure BDA0000399394470000091
图2A按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为Nd掺杂玻璃增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率。图2B按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为Yb:YAG增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率。在图2A和2B中，每一种数据点，代表不同的激光器设计。
参考图2A，作为峰值泵激功率函数的效率，是对操作在295K（室温附近）上25cm×25cm的Nd:APG-1放大器板条示出的。没有冷却功率和对串联的一至八个放大器板条的操作被示出。参考图2B，作为峰值泵激功率函数的效率，是对有操作在200K上的边缘包层的操作在200K上的Yb:YAG放大器板条示出的。没有冷却功率和串联的一至八个放大器板条的操作被示出。因此，该两个图示出对全部系统效率（包含冷却子系统）和单独对激光器（没有冷却）二者的结果。图2A和2B表明系统效率与要求的泵激功率之间的基本权衡（tradeoff），它代表要求的二极管泵激部件成本。该权衡通过改变泵激脉冲的持续时间而被调整。这些图表明，冷却的Yb增益介质的使用，显著地降低要求的泵激功率，这部分地源于Yb离子与Nd离子相比有实质上更长的激发态寿命（Yb的～1ms对Nd的～250μs）。在一些实施例中，泵激功率的降低，伴随着整个系统效率的下降。如表1所示，在200K上的低温冷却的Yb:YAG系统的要求的泵激功率，是～89GW，获得可与Nd:玻璃系统比较的效率，例如10%。
图2C按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为150K上Yb:YAG增益介质的峰值泵激功率的函数的激光器系统效率。在图2C所示实施例中，边缘包层也操作在150K上。上图表明，当激光器按高能量脉冲操作模式操作时，低温冷却的系统的一些实施例，操作在低于10%的效率上。在出示的实施例中，虽然有低温冷却的增益介质的系统，比室温温度呈现更好的性能，但基于玻璃的设计当不考虑冷却时，低温冷却所需要的增加的电功率，导致系统效率的全面净下降。
图2D按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为200K和150K上Yb:YAG和Nd:玻璃增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率。增益介质和边缘吸收体被保持在相同温度上（即，200K/200K或150K/150K）。图上只出示包含冷却的全部激光器系统效率。图2D所示低温冷却的Yb:YAG激光器系统，与室温的Nd:玻璃系统之间的比较表明，虽然低温冷却的系统的一些实施例，提供在低泵激功率和系统效率下改进的性能，但当系统效率被要求>9%时，在这些实施例中采用低温冷却的介质，几乎没有或根本没有优势被获得。
因此，不能获得>10%的效率，限制基于Yb掺杂增益介质的常用低温冷却的系统在某些应用中的使用，这些应用包含惯性聚变能源电厂（inertial fusion energy power plant），这种电厂能够以10%或更高的效率，利用高能脉冲激光器。
如在上面的讨论，基于低温冷却的Yb掺杂增益介质的高能脉冲激光器系统的全部效率，受冷却要求的颇大冲击。再次参考表1，从该表显而易见，由于放大器板条中的横向ASE，低温的热负荷，受边缘包层的加热支配，由于量子数亏损和非辐射衰变，该边缘包层的加热显著大于体积（体积的）板条加热。因为被要求从包层移除这种热所需要的电功率，强烈依赖于冷却系统的操作温度，所以整个系统效率，可以通过使边缘包层吸收体在室温附近操作而被改进。在一些实施例中，边缘包层吸收体能够使用水冷却或其它合适的冷却系统，操作在室温以上、室温或室温以下的温度上，以适合于特定的应用。这对边缘包层很接近冷的增益材料的常用装置，是不现实的，因为存在与热应力和泄漏进板条的寄生热相关联的限制。因此，本发明的实施例，利用从增益材料热去耦边缘包层的装置几何配置，使包层能操作在比增益介质更高的温度上。
如在贯穿本说明书的更充分的描述，本发明的一些实施例，在增益介质与边缘包层之间，插入透明材料的区域，以便既提供热隔离，又用作把ASE从增益介质引向边缘包层的波导。
图3A是简化示意图，按照本发明一实施例，画出有低温冷却的放大器板条配置的端视图。图3B是简化示意图，画出通过图3A所示放大器板条配置的横截面。如图3A所示，增益介质310被有宽度等于tGUIDE的透明波导320部分地包围。边缘包层330部分地包围透明波导320。波导320的折射率与包层330和增益介质310两者的那些折射率精密地匹配，以防止位于图3A图平面中的板条平面中的寄生激光。透明波导320的表面（如，图3B所示顶表面）能够被抛光，以便一些ASE被全内反射局限于波导材料中。通过选择足够大的波导宽度tGUIDE，该波导提供热隔离，使增益介质与包层能够操作在非常不同的温度上。
在一些实施例中，波导结构的特征，包含：
1.激光波长上高的透明度（如，通常在一些实施例中，是～1050nm，而在诸如使用基于Yb增益介质的那些其他实施例中，是～1030nm）。正如本文使用的，透明包含能够小于100%透射率的低的吸收。因此，透明不是指100%透射率，但是指在关注波长上高的透射率和低的吸收，例如，吸收系数（即，功率吸收）小于10%、小于9%、小于8%、小于7%、小于6%、小于5%、小于4%、小于3%、小于2%、小于1%、小于0.5%、小于0.25%、小于0.1%、小于0.05%、小于0.025%、或小于0.01%。因此，说明书中用语“透明”的使用，不要求关注的波长的100%透射率，但应当理解为包含这样的材料，它使关注的波长的主要部分或大体上全部通过。
2.与包层和增益介质二者匹配的折射率，通常达0.05以内或更好（取决于增益系数和放大器板条的尺寸）。
3.足够宽的tGUIDE，由于从包层到增益介质传导的热流，所以放大器板条上的热负荷，与放大器板条上其他加热负荷相比是小的。该热负荷能够被表达为方程式：4t X KΔT/tGUIDE<<QSLAB，这里X和t是孔径宽度和增益介质厚度，K是波导材料的热导率，ΔT是包层和增益介质之间的温度差，而QSLAB是放大器板条由于量子数亏损和非辐射衰变的体积加热。
4.足够的波导宽度tGUIDE，以避免可能使组件破裂或翘曲的热应力。
5.热膨胀系数充分与增益介质良好匹配，以避免热破裂或翘曲。
6.波导材料应当在远红外光中是不透明的，以防止辐射的热输运。对室温附近的边缘包层温度，包层的热频谱峰值在约9.7μm附近。因此，一些实施例利用有～4μm的透明度截止波长的波导材料。
为波导和边缘包层选择的材料，取决于被选择的用于提供激光增益的材料。在下面的示例性实施例中，给出两种增益介质基质的材料选项：YAG陶瓷和CaF2晶体。
Yb:YAG增益材料
对有折射率～1.82的Yb:YAG增益材料，波导材料能够由无掺杂的YAG陶瓷，高折射率玻璃（如：Schott LaSF）、或有相似热膨胀系数的其他适当折射率匹配的材料制造。边缘包层，能够用掺杂有吸收金属离子，诸如铜、钴等的相同基质材料制造。使用YAG作为波导和包层二者的优点是，热膨胀系数几乎完美的匹配，这将在组件中避免热应力。由YAG波导和包层材料提供的另一个优点，是这些材料能够用无粘接剂、共烧结工艺直接粘接到放大器板条。用作波导的玻璃材料的使用，能够包含有折射率～1.82的光学粘接剂的使用。作为这样的粘接剂的一个选项，涉及用已经达到折射率>1.84的高折射率纳米粒子装填粘接剂。玻璃波导提供的优点，是实质上降低热导率，这降低流动通过波导的寄生热。YAG和玻璃的红外透射截止波长（虚数折射率>1×10-4），分别是～4μm和～2μm，所以两种材料将禁止直接辐射输运。
Yb:CaF2增益材料
对有折射率～1.42的Yb:CaF2增益材料，波导和包层能够由CaF2、玻璃、聚合物材料或如此等等制造。边缘包层，如上面的讨论，能够由掺杂有吸收金属离子的玻璃制造。CaF2的特征在于18ppm/K的相对高的热膨胀系数。相应地，一些实施例针对波导/放大器板条组件中因低温冷却引起热应力。例如，有合理的折射率匹配的玻璃（如，可从Schott购得的N-FKS），呈现显著的膨胀系数失配（12.7ppm/K）。虽然由CaF2制造的波导避免了该问题，但基于其他材料的解决方案，由于CaF2的相对的机械易脆性（relative mechanical fragility），依然具有吸引力。本发明的一些实施例，是利用波导层的嵌套系列，缓解热膨胀失配问题，这些波导层包含被柔性光学粘接剂适度地薄的层（如，～1mm）分开的玻璃（如，N-FKS）。由于粘接剂的低的模量，大多数失配应变将被施加于交织的粘接剂。以足够的粘接剂固有柔性和在界面上足够的粘接强度，这种设计能够适应大的应力。
虽然图3A所示几何配置，利用很接近（即，被附着）波导的吸收材料（即，边缘包层），但这不是本发明要求的。在其他实施例中，抗反射（AR）涂层被涂覆于波导的端表面，以便光在放大器板条之外传播，到达被定位在远处的吸收束堆（absorbing beam dump）。
吸收型边缘包层330的宽度被选择，以便从该边缘包层的外表面的有效反射率足够低。该反射率依靠使通过包层的单次吸收加倍而被降低，该吸收对包层吸收系数α′和厚度L，是e-2α′L。与此同时，边缘包层和液体冷却系统（在多个放大器板条被紧密地堆叠在一起的实施例中，该冷却系统能够在热学上只被连接到边缘包层的外部边缘）之间的热输运，被更薄的边缘包层增强。在一些实施例中，边缘包层的厚度将在约0.1mm到约5mm范围。在特定实施例中，边缘包层的厚度是L≈1mm。
再一次参考表1，提供足够热隔离的波导宽度tGUIDE，是对25cm孔径的几何配置、使用温度依赖热传导率的2cm厚放大器板条计算的。陶瓷YAG的温度依赖热传导率，假设陶瓷颗粒大小为4μm。LaSF玻璃的温度依赖热传导率，被用作玻璃的热传导率（在35℃上是1.06W/m-K）。
虽然Yb:YAG和Yb:CaF2增益材料已在上面被讨论，但本发明的实施例不限于这些材料，而其他合适的基质材料能够被使用，包含玻璃、氟磷灰石锶（strontium fluorospatite（SFAP）），如此等等。本领域熟练技术人员应当认识到许多变化、修改和替换。此外，虽然Yb已经在本文作为合适的稀土增益介质被讨论，但其他适合在低温冷却的温度上操作的增益介质，也能够被利用，以提供有高效率的热隔离边缘包层的激光器系统。
图4按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明通过各种不同配置的波导的传导的热负荷。图4所示的热负荷，是用4乘以横过25cm×2cm波导横截面（2cm厚的25cm×25cm放大器板条）的热通量计算的，该热通量是根据1-D有限元模拟计算的。因为放大器板条上由于量子亏损和非辐射过程产生的典型的体积热负荷为～900W（见表1），本发明的实施例，利用的波导宽度，对YAG是从约10cm到15cm的范围，而对玻璃是从约3cm到5cm的范围。
在一些实施例中，波导宽度tGUIDE的最小化是需要的，以便缩减激光器系统的整个大小。大小缩减能够通过若干方案达到：
1.使沿热传播方向的导波层的尺寸呈锥形，从而降低热传递的有效横截面，并能实现更小的波导或降低的传导的热负荷。图5是简化横截面示意图，按照本发明一实施例，画出锥形的波导。如图5所示，在与增益介质510（即，放大器板条）接点上的波导520的横截面，与增益介质相配，但沿垂直于传播方向的轴的波导尺寸，能够向边缘包层530逐渐变细。例如，从在增益介质上2cm×25cm的横截面，到边缘包层上的1cm×25cm的横截面的逐渐变细，使热负荷缩减～25%。作为例子，锥形陶瓷YAG波导，能够被用于降低进入增益介质的热传导。
2.通过使边缘包层操作在略为降低的温度上（如，280K）。
3.通过用更低热传导率的材料构造波导。例如，对陶瓷YAG波导，使用更小颗粒大小的材料略有好处，因为这样降低热传导率。用与基质材料显著不同原子质量或粘接强度的物质，掺杂波导材料（以诱发声子散射中心），也能够被用于降低它的热传导率，尤其是在低温下。
膨胀匹配的波导/增益介质对的最坏情形的热机械应力，能够从下式估算：
σMAX=EαΔT/(1-v)
这里E是杨氏模量，α是热膨胀系数，v是泊松比，而ΔT是温差。使用陶瓷YAG的材料系数，对200K上的放大器板条，被估算的最大应力在150MPa以下。该估算是最坏情形下的值，因为它假设的是坚固地受约束的组件和温度无关的膨胀系数。实际的组件将被松弛地夹持，以避免热机械问题，且α已知随降低的温度而降低，所以有效的膨胀应力∫αdT<αΔT。因为σMAX=150MPa的最坏情形估算，远在陶瓷YAG的破裂强度（340～360MPa）和晶体YAG的弹性极限以下，并给出σMAX估算的保守本性（conservation nature），横跨波导的热梯度看来不是大问题。
在更高温度上操作边缘包层的另外优点，是改进的液体冷却剂性能。冷却液体可用低至135K的流动点（pour point），但当操作在流动点以上数十度凯尔文内的温度上时，它们的粘性是显著的。较高的粘性增加泵浦该液体所要求的电功率。反之，室温附近的操作，使呈现低粘滞性、优良热容量和低成本的冷却剂（如，水、水/乙二醇盐水、如此等等），能非常有效地使用。
图6A是按照本发明一实施例的与主动地冷却的反射镜集成的波导配置的简化横截面图。图6B是图6A所示的与主动地冷却的反射镜集成的波导配置的简化端视图。图6A和6B中所示波导配置，适合于激光器光束通过相同面进入和离开放大器板条的设计。因此，放大器板条的一个面，能够被用于冷却，如图6A所示。
冷却介质610，它能够是液体冷却剂，或者是固体热传导块，被定位在很接近该放大器板条面。在出示的实施例中，冷却介质610被反射涂层620与增益介质分开，该反射涂层620能够是高反射率（HR）多层电介质堆。如图6A所示，冷却块的横向尺寸（在与图6B的平面对齐的x-y平面中），小于放大器板条/透明波导/边缘包层组件，因此该低温冷却介质不会提供跨越波导的热“短路”。因为增益介质和边缘包层之间的热隔离，所以增益介质能够按需要与边缘包层分开地被冷却，边缘包层能够操作在比增益介质更高的温度上。
当放大器板条的各面可以接近，以便用流体直接冷却时，增益介质能够被在它的面之上流过的高压气体冷却。该方案的若干实施方案细节，包含：
1.氦气能够被用于使散射损耗最小。
2.放大器板条以及它们的覆盖窗，或诸如图6A它们的反射几何配置的反射器，通常被排列以形成窄的气流通道，该通道增加气体速度以改进通道上的直接热传递。
3.气体通向增益介质通道的入口和出口，按“导向器”被成形，以获得最佳的流动模式。
对于该冷却方案，一些波导配置是次优的，因为气体冷却剂当它在更高温度的边缘包层之上通过时，可以被加热。这样增加在致冷系统上的热负荷，并因而将降低系统的效率。
图7A是按照本发明一实施例，有低温冷却的放大器板条几何配置的简化端视图。图7B是图7A所示放大器板条几何配置的简化平面图。图7A所示波导配置，利用反射器740使ASE向吸收边缘包层730偏折，该吸收边缘包层730只被定位在放大器板条组件的两个边缘。反射器740能够通过在波导材料720的斜角边缘上淀积HR涂层制造。如图所示，反射器740按角度θ倾斜，以引导ASE进入吸收边缘包层。这些边缘被连接到图7A和7B中的气体成形导向器，以确保合适的气体流，这些导向器能够由非光学透明材料制成。气体成形导向器750的粘接，能够用各种不同材料进行，包含环氧树脂，因为没有折射率匹配或透明度的要求。增益板条710、波导材料720、反射器740、气体成形导向器750、以及吸收边缘包层730，能够被称为放大器单元。在出示的实施例中，该放大器单元沿纵向方向排列，激光器的光在通过该组放大器单元传播期间，沿该纵向方向被放大。吸收边缘包层和增益介质之间的热分离，使增益介质能被操作在第一温度上（如，低温冷却的温度），同时吸收边缘包层能被操作在比第一温度更高的第二温度上（如，室温）。
如图7A所示，冷却剂流按一定方式提供冷却剂向增益介质的流动，在该方式中，一些或大部分冷却剂流不与边缘包层相互作用。冷却剂流的中心部分，在到达增益介质之前，不在边缘包层之上流过，而是平行于边缘包层流动。因此，在该实施例中，因为边缘包层被定位在平行于冷却剂流的组件部分的周边，所以在边缘吸收体和增益介质之间的另一级热去耦被提供。
图7C是按照本发明一实施例，有低温冷却和气体成形的放大器板条几何配置的简化端视图。如图7C所示，另外的波导材料720′被用于形成平行于图7C的平面的波导边缘。另外的波导材料720′的使用，可以简化粘接和降低热应力。
参考图7A，反射表面和边缘包层被排列，以便防止在横向平面（图7A的平面）中的寄生激光，以及使增益介质中激发态能量的ASE诱发的损耗最小。如图所示，HR涂覆的边缘，不相互平行取向，以避免激光腔的形成。在一些实施例中，距离t′GUIDE被设定为足够大的距离，且角度θ被设定为足够小的角度，以致在图7A的平面中按大多数角度从增益介质发射的ASE，不从HR涂层反射回去进入增益介质。
因为组件温度将沿横过气体流的方向明显地改变，所以改进的冷却性能，能够在冷却气体横过组件时，借助防止该冷却气体的侧向输运而获得。对50到100m/s的典型气体速度，在气体流过波导和板条的～10ms期间，应当只有适度的侧向扩散。图8A是按照本发明一实施例，有流动挡板的放大器板条几何配置的简化端视图。图8B是图8A所示放大器板条几何配置的简化平面图。图8A所示流动挡板810，降低剩余的输运。应当指出，在一些实施例中，流动挡板不一定支持高的压力差，或成为防漏密封（leak tight seal）。通过在挡板两侧上维持相似的气体压力，挡板提供对侧向流的几何的阻挡。
图9是按照本发明另外实施例的波导配置的简化平面图。图9所示横截面类似于图8B所示的横截面。波导材料沿冷却剂流路径增加的长度，将增加跨越组件的压力降。该增加的压力降是不需要的，因为它增加压缩机驱动气体冷却剂通过放大器所消耗的电功率。图9所示配置，通过使波导沿流动方向逐渐变细，缓解该压力降。通过增加冷却剂流通道离开增益介质的宽度，在该区域中流体的速度和摩擦被降低。此外，图9所示配置，降低透明波导的热传导率，从而降低边缘包层和增益介质之间的热传导。
本发明人已经研发的系统模拟表明，有室温吸收体的低温冷却的激光器/放大器，提供优于室温Yb:玻璃激光器/放大器的有吸引力的性能增强。边缘包层冷却系统的改进的性能系数，降低冷却电功率，导致系统效率的净改进。
图10A按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，操作在200K上的Yb:YAG增益介质。图10A对基于有操作在295K上的边缘包层的、操作在200K上的Yb:YAG放大器板条的激光器，画出效率-泵激功率权衡。图10B按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，操作在150K上的Yb:YAG增益介质。图10B对基于有操作在295K上的边缘包层的、操作在150K上的Yb:YAG放大器板条的激光器，画出效率-泵激功率权衡。
用于计算图10A和10B中曲线的激光器参数，与表1中列出的那些参数相同。与更早结果的唯一差别，是边缘包层被操作在295K上（即，近似于室温），而不是低温温度。在泵激功率>80GW范围上，该200K的Yb:YAG的系统效率，与用相同泵激功率的Yb:玻璃系统的～10%比较，在13%以上（见表1）。要获得10%的效率，只要求～25GW的泵激功率（与用Yb:玻璃的82GW比较）。因此，本发明的实施例利用ASE吸收体的室温操作，使200K低温冷却的Yb:YAG激光器，能够改进激光器效率达～3%（按固定泵激功率），或者降低泵激功率约3倍（按固定的10%效率）。
图10C按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明对若干系统配置（即，有操作在295K上的边缘吸收体的、操作在200K上的Yb:YAG放大器板条；以及有操作在295K上的边缘吸收体的、操作在150K上的Yb:YAG放大器板条）的作为峰值泵激功率函数的激光器系统效率。如图10C所示，有操作在更高温度上（如，室温）的边缘吸收体的低温冷却的增益介质，能够给出优于室温Yb:玻璃激光器的明显的改进。图10C所示数据表明，Yb:YAG放大器板条在150K和200K上的操作，导致类似的系统性能。因此，给定较低温度的操作，通常要求附加的系统成本和复杂性，所以一些实施例最好操作在200K的温度上。本领域熟练技术人员，应当认识到许多变化、修改和替换。
图11是简化的流程图，表明按照本发明实施例的操作光学放大器的方法。该方法1100包含，提供具有纵向轴、横向轴和侧向轴的增益介质（如，基于Yb放大器介质，诸如Yb:YAG或Yb:CaF2）（1110）。在一实施例中，该增益介质是增益板条（亦称放大器板条），它具有小于宽度和长度（分别沿横向和侧向轴测量）的厚度（沿纵向轴测量）。该方法还包含，泵激该增益介质（1112）并引导光沿纵向轴通过增益介质（1114）。该光在增益介质中被放大（1116），且增益介质被冷却，使该增益介质的特征在于第一温度（1118）。在一实施例中，该第一温度是低于室温的低温温度，诸如150K、200K如此等等。
该方法还包含在增益介质中产生ASE（1120）。该ASE沿横向轴和侧向轴传播。该方法再包含，引导ASE通过被光学耦合到该增益介质的波导（1122）。在一些实施例中，该波导是透明的，有大于90%的ASE通过该波导透射。该波导能够沿与横向轴和侧向轴对齐的方向，部分地包围增益介质，能实现光学上接近增益介质垂直于纵向轴的面。在一些实施例中，该波导用与增益介质相同的基质材料制成，但没有活性物质（如，Yb）。
此外，该方法包含，在被光学耦合到该波导的边缘包层中，吸收一部分ASE（1124）。该包层的特征在于高于第一温度的第二温度。该第二温度能够是室温。因为利用波导该包层与增益介质热绝缘，所以包层的温度能够在操作期间被维持在比增益介质更高的温度上。
应当明白，图11所示具体步骤，是按照本发明一实施例，提供操作光学放大器的一种具体方法。这些步骤的其他次序也可以按照另外的实施例被施行。例如，本发明的另外实施例可以按不同顺序执行上面列举的步骤。而且，图11所示个别步骤，可以包含多个子步骤，这些子步骤可以按适合于该个别步骤的各种不同次序被施行。此外，附加的步骤可以被添加或移除，取决于具体的应用。本领域熟练的技术人员，应当认识到许多变化、修改和替换。
还应当理解，本文描述的例子和实施例，只为说明的目的，且借鉴这些例子和实施例向本领域熟练技术人员提出的各种不同修改或变化，应当被包含在本申请的精神和权限以及所附权利要求书的范围内。

Claims (39)

1.一种激光放大器系统，包括：
增益介质，其特征在于在操作期间的第一温度；和包层，其特征在于在操作期间的大于该第一温度的第二温度。
2.权利要求1的激光放大器系统，其中该第二温度大体上为室温。
3.权利要求1的激光放大器系统，其中该增益介质具有纵向轴和大体上平行于该纵向轴的多个侧面。
4.权利要求1的激光放大器系统，其中该增益介质包括矩形板条，该矩形板条具有大于沿纵向轴测量的厚度的垂直于纵向轴的宽度和长度。
5.权利要求1的激光放大器系统，其中该增益介质包括Yb:YAG或Yb:CaF2中的至少之一。
6.权利要求1的激光放大器系统，还包括：
波导，具有：
多个内表面，每一内表面光学上被耦合到该增益介质的多个侧面之一；和
多个外表面；以及
包层，被光学耦合到该波导的外表面。
7.权利要求6的激光放大器系统，其中该增益介质是可操作的用于放大增益波长上的光。
8.权利要求7的激光放大器系统，其中该波导在增益波长上是大体上透明的。
9.权利要求7的激光放大器系统，其中该包层在增益波长上是吸收的。
10.权利要求5的激光放大器系统，其中该波导是锥形的，使该内表面的特征在于第一表面面积并且该外表面的特征在于小于该第一表面面积的第二表面面积。
11.一种反射光学放大器，包括：
增益元件，具有输入/输出侧面和背侧面，该增益元件包括：
增益介质，具有宽度、长度以及小于该宽度和该长度的厚度；
波导，部分地包围该增益介质；和
边缘吸收体，部分地包围该波导；
反射元件，被布置成靠近该背侧面；以及
冷却元件，被布置成靠近该反射元件。
12.权利要求11的反射光学放大器，其中该增益介质包括镱活性物质。
13.权利要求12的反射光学放大器，其中该增益介质包括YAG或CaF2基质晶体中的至少之一。
14.权利要求11的反射光学放大器，其中该增益介质包括被布置在基质晶体中的活性物质，且该波导包括该基质晶体。
15.权利要求14的反射光学放大器，其中该边缘吸收体包括基质晶体中的吸收物质。
16.权利要求11的反射光学放大器，其中该反射元件包括电介质堆反射镜。
17.权利要求11的反射光学放大器，其中该冷却元件包括冷却面，该冷却面具有近似等于宽度乘长度的空间尺寸。
18.权利要求11的反射光学放大器，其中该增益介质的特征在于在操作期间的第一温度，而该边缘吸收体的特征在于在操作期间的大于该第一温度的第二温度。
19.权利要求18的反射光学放大器，其中该第二温度大体上为室温。
20.一种光学放大器系统，包括：
一组放大器单元，沿纵向方向排列，其中每一放大器单元包括：
增益板条，可操作的用于放大沿纵向方向传播的光，并沿横向方向和侧向方向产生ASE，该横向方向垂直于纵向方向，且该侧向方向垂直于该纵向方向和横向方向；
波导，被光学耦合到该增益板条的周边部分；
一组反射器，被光学耦合到该波导，且可操作的用于反射沿该横向方向传播的ASE；
一组冷却导向器，每一导向器被耦合到反射器之一，并可操作的用于引导沿横向方向流动的冷却流体；和
一个或多个吸收边缘包层，被光学耦合到该波导，并可操作的用于吸收沿侧向方向传播的ASE；以及冷却系统，可操作的用于提供沿横向方向的冷却剂流。
21.权利要求20的光学放大器系统，其中该波导的厚度大体上等于该增益板条的厚度。
22.权利要求20的光学放大器系统，其中该组反射器包括在该ASE波长上的高反射率电介质反射镜。
23.权利要求20的光学放大器系统，其中该增益介质包括镱。
24.权利要求23的光学放大器系统，其中该增益介质包括YAG或CaF2中的至少之一。
25.权利要求20的光学放大器系统，其中沿侧向方向传播的ASE包含从该组反射器反射的ASE。
26.权利要求20的光学放大器系统，其中该该组冷却导向器包括与该波导相同的材料。
27.权利要求20的光学放大器系统，还包括被布置在放大器单元之间的一个或多个横向流动挡板。
28.权利要求20的光学放大器系统，其中该波导沿横向方向呈锥形。
29.一种操作激光放大器的方法，该方法包括：
提供具有纵向轴、横向轴和侧向轴的增益介质；
泵激该增益介质；
引导光沿该纵向轴通过该增益介质；
在增益介质中放大该光；
冷却该增益介质，使该增益介质的特征在于第一温度；
在增益介质中产生ASE，其中该ASE沿横向轴和侧向轴传播；
引导ASE通过被光学耦合到该增益介质的波导；和
在被光学耦合到该波导的边缘包层中，吸收一部分ASE，其中该包层的特征在于高于第一温度的第二温度。
30.权利要求29的方法，其中该增益介质包括包含镱的增益板条。
31.权利要求29的方法，其中该波导包括光学元件，该光学元件的特征在于在与ASE相关联的波长上的大于90%的透射率。
32.权利要求29的方法，其中该波导沿与横向轴和侧向轴对齐的方向，部分地包围该增益介质。
33.权利要求29的方法，其中该增益介质包括基质材料。
34.权利要求33的方法，其中该波导包括该基质材料。
35.权利要求29的方法，其中该基质材料包括YAG或CaF2中的至少之一。
36.权利要求35的方法，其中该波导包括YAG或CaF2中的至少之一。
37.权利要求29的方法，其中该第一温度低于室温。
38.权利要求37的方法，其中该第一温度低于或等于200K。
39.权利要求29的方法，其中该第二温度是室温。
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