CN104051940A - 复合式激活反射镜结构激光放大器及放大注入脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

一种气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器，包括M个交错相对平行排布的结构相同的双放大模块，每个双放大模块由形框、N块复合式片状增益介质、氦气、激光二极管阵列，N块复合式片状增益介质具有不同的掺杂浓度和长度，由短到长自形框的直边向外同轴依次排布在形框内，各块增益介质长度L和掺杂浓度t的乘积相等，形框的上斜框和下斜框均有流体循环通道，该流体循环通道与所述的N块增益介质相对应的间隔处均设有冷却循环孔，供所述的氦气在所述的增益介质之间流通。本发明结构更加紧凑，有利于集成化与模块化；有效的避免了增益介质表面镀膜膜层在水冷却方式下的水侵蚀等问题，具有输出光束质量好，系统效率高等优点。

Description

复合式激活反射镜结构激光放大器及放大注入脉冲的方法

技术领域

本发明涉及激光系统，特别是一种气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器及放大注入脉冲的方法。

背景技术

高功率固体激光放大系统通常采用多程放大和薄片技术来提高系统的整体效率。相比于单通放大结构，多程放大有利于提高储能提取效率，从而提高系统的整体工作效率；片状结构的增益介质具有高的TEM₀₀填充率、低的热效应，这种结构有利于降低介质的热透镜效应和热致应力双折射效应，从而提高输出光束质量。利用多程放大和薄片技术的高功率固体激光放大系统的工作原理大多是基于多片薄片增益介质串联的布儒斯特角透射式结构，这种结构的放大系统具有一定的局限性，例如能量提取效率不高，结构不紧凑等，而且这种运转模式对晶体的冷却具有很高的要求；相比于多片薄片串联的透射式结构，基于激活反射镜构型的激光放大器不仅可以有效地提高泵浦效率，提高小信号增益系数，而且由于其内在的双程特性，可实现简单紧凑的多程放大，即节省空间又降低建造成本，还可以提高系统的储能提取效率。但是激活反射镜结构由于需要在增益介质表面镀膜，存在膜层在水冷却方式下的水侵蚀等问题，这些都将限制其在高功率固体激光放大系统中的进一步应用。选用合适的泵源不仅能够提高系统能量转化效率，获得高的输出光束质量，还能够有效的减少泵浦过程中的各种热效应。采用激光二极管阵列作为泵浦源，能量转换效率高，光束质量好，器件结构更紧凑。

发明内容

针对上述现有技术的不足，为了改善光束质量、降低热效应、提高系统效率，本发明提供一种气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器及放大注入脉冲的方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器，其特点在于：包括M个交错相对平行排布的结构相同的双放大模块，所述的M为1以上的正整数，每个双放大模块由形框、N块复合式片状增益介质、氦气、激光二极管阵列，所述的N为大于1的正整数，所述的形框由一个直边与外张的上斜框和下斜框构成，所述的N块复合式片状增益介质具有不同的掺杂浓度和长度，由短到长自所述的形框的直边向外同轴依次排布在所述的形框内，并依次称为第1增益介质、第2增益介质、…、第N增益介质，各块增益介质长度L和掺杂浓度t的乘积相等，所述的形框的上斜框和下斜框均有流体循环通道，该流体循环通道与所述的N块增益介质相对应的间隔处均设有冷却循环孔，供所述的氦气在所述的增益介质之间流通。

所述的第1增益介质与所述的形框的直边相对的表面镀高反射膜。

所述的激光二极管阵列按照侧面泵浦的结构排布对复合式片状增益介质2进行泵浦。

所述的双放大模块的长度最长的片状增益介质的下斜框、上斜框与其相错相对排列的另一个放大模块的长度最长的片状增益介质的上斜框、下斜框位置的相互平行，各放大模块之间的横向间距由注入光束的口径决定。

所述的气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器的放大注入脉冲的方法，其特点在于：P偏振态输入脉冲以布儒斯特角α入射并顺次通过第一个放大模块的N块复合式片状增益介质，一次通过放大后，在长度最短的下表面镀膜的增益介质的底部全内反射，再次通过按所述方式排列的N片状增益介质并被二次放大，最后以布儒斯特角从长度最长的片状增益介质出射，然后以布儒斯特角α、沿与在第一个放大模块中各块增益介质中相同的光束路径通过第二个放大模块从而实现了四通放大。

所述的布儒斯特角α由片状增益介质材料的线性折射率n决定：α＝tan^-1n。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所提出的气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器系统实现了注入脉冲在增益介质中的双通放大，与传统的多片晶体串联的布儒斯特角透射式结构相比，在保证同样两次提取能量的情况下，将两程光路简化为单程，充分提取了储能，提高了能量提取效率；结构更加紧凑，有利于集成化与模块化。本发明所提出气冷的散热方式，避免了增益介质表面镀膜膜层在水冷却方式下的水侵蚀等问题。本发明所述方法和系统可被应用于各种其他激光放大结构和激光系统中。

附图说明

图1是本发明气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器的俯视结构示意图；

图2是本发明实施例的通过N(N＝2,3,4….。N取大于1的正整数。)块片状增益介质的光线路径的示意图；

图3是本发明实施例的通过以M(M＝1,2,3,4,…。M为1以上的正整数。此处取M＝2,以两个放大模块为例。)阵列上下交错平行排布的双模块复合式激活反射镜系统的俯视结构示意图；

图4是本发明实施例的通过以M(M＝1,2,3,4,…。M为1以上的正整数。此处取M＝2,以两个放大模块为例。)阵列上下交错平行排布的双模块复合式激活反射镜系统中各块片状增益介质的光线路径的示意图；

图5是本发明的单块增益介质的三维透视结构示意图；

图中，1.流体循环通道 2.复合式片状增益介质 3.镀膜层 4.冷却循环孔 5.氦气 6.激光二极管阵列

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

在实施例中，需要被放大的种子光以P偏振态(电矢量振动方向平行于入射面)、布儒斯特角注入本发明实施例所涉及的按特定顺序排列的复合式结构的N(N＝2,3,4….。N取大于1的正整数。)块长度不同的片状增益介质进行放大。所述方法和系统可被应用于各种其他激光放大结构和激光系统中。

图1是本发明气冷高平均功率复合式激活反射镜结构(单个放大模块)激光放大器系统的俯视结构示意图。图中单个放大模块中所包含的复合式的片状增益介质的片数通常为N(N＝2,3,4….。N取大于1的正整数。)块，为了便于描述，图1和在此描述的所有其他图中的片状增益介质均以3片为例。如图所示，一种气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器，包括M个交错相对平行排布的结构相同的双放大模块，所述的M为1以上的正整数，每个双放大模块由形框1、N块复合式片状增益介质2、氦气5、激光二极管阵列6，所述的N为大于1的正整数，所述的形框1由一个直边与外张的上斜框和下斜框构成，所述的N块复合式片状增益介质2具有不同的掺杂浓度和长度，由短到长自所述的形框1的直边向外同轴依次排布在所述的形框1内，并依次称为第1增益介质、第2增益介质、…、第N增益介质，各块增益介质长度L和掺杂浓度t的乘积相等，所述的形框1的上斜框和下斜框均有流体循环通道，该流体循环通道与所述的N块增益介质相对应的间隔处均设有冷却循环孔4，供所述的氦气5在所述的增益介质之间流通。

图2是本发明单个放大模块的N(N＝2,3,4….。N取大于1的正整数。)块复合式结构的各块片状增益介质尺寸大小、相互之间的位置关系以及光线通过的路径的示意图。N(N＝2,3,4….。N取大于1的正整数。)块长度不同且掺杂浓度不同的片状增益介质，按照长度L从长到短的顺序依照本发明实施例图2中所示顺序等间距叠放排列，并且在N块增益介质中长度最短的增益介质下表面镀高反射膜(本发明实施例中称其为复合式结构)。各块增益介质长度L和掺杂浓度t之间的关系满足：

t₁L₁＝t₂L₂＝t₃L₃

各块增益介质的厚度相等。P偏振态输入脉冲以布儒斯特角入射角α顺次通过按本发明实施例所述方式排列的N(N＝2,3,4….。N取大于1的正整数。)块片状增益介质，一次通过放大后，在长度最短的下表面镀膜的增益介质的底部全内反射，再次通过按所述方式排列的N片状增益介质并被二次放大，最后以布儒斯特角从长度最长的片状增益介质出射，实现了双通放大。其中，注入光的布儒斯特角入射角α由片状增益介质材料的线性折射率n决定：α＝tan-¹n；

图3是本发明实施例的通过以M(M＝1,2,3,4,…。M为1以上的正整数。为了便于描述，本文取M＝2,以两个放大模块为例。)阵列上下交错平行排布的双放大模块构成的复合式激活反射镜系统结构以及各模块之间位置关系俯视示意图。在本图说明的实施例中，各放大模块中长度最长的片状增益介质的下斜框、上斜框与其相错相对排列的另一个放大模块中长度最长的片状增益介质的上斜框、下斜框侧边缘位置的纵坐标(沿图中竖直方向)相同。各放大模块之间的横向间距(沿图中水平方向)由注入光束的口径所决定。

图4是本发明实施例的通过以M(M＝1,2,3,4,…。M为1以上的正整数。为了便于描述，本文取M＝2,以两个放大模块为例。)阵列上下交错平行排布的双放大模块构成的复合式激活反射镜系统的各块片状增益介质的光线路径的示意图。P偏振态输入脉冲以布儒斯特角α入射并顺次通过按本发明实施例所述方式排列的第一个放大模块的N块片状增益介质，一次通过放大后，在长度最短的下表面镀膜的增益介质的底部全内反射，再次通过按所述方式排列的N片状增益介质并被二次放大，最后以布儒斯特角从长度最长的片状增益介质出射，然后以布儒斯特角α入射，并且以与在第一个放大模块中各块增益介质中相同的传播方式通过第二个放大模块，从而实现了四通放大。

图5是根据本发明实施例的单块片状增益介质的三维透视结构示意图。片状增益介质的长度为L,掺杂浓度为t。

Claims (6)

1.一种气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器，其特征在于：包括M个交错相对平行排布的结构相同的双放大模块，所述的M为1以上的正整数，每个双放大模块由形框(1)、N块复合式片状增益介质(2)、氦气(5)、激光二极管阵列(6)，所述的N为大于1的正整数，所述的形框(1)由一个直边与外张的上斜框和下斜框构成，所述的N块复合式片状增益介质(2)具有不同的掺杂浓度和长度，由短到长自所述的形框(1)的直边向外同轴依次排布在所述的形框(1)内，并依次称为第1增益介质、第2增益介质、…、第N增益介质，各块增益介质长度L和掺杂浓度t的乘积相等，所述的形框(1)的上斜框和下斜框均有流体循环通道，该流体循环通道与所述的N块增益介质相对应的间隔处均设有冷却循环孔(4)，供所述的氦气(5)在所述的增益介质之间流通。

2.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于所述的第1增益介质与所述的形框(1)的直边相对的表面镀高反射膜。

3.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于所述的激光二极管阵列(6)按照侧面泵浦的结构排布对复合式片状增益介质(2)进行泵浦。

4.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于所述的双放大模块的长度最长的片状增益介质的下斜框、上斜框与其相错相对排列的另一个放大模块的长度最长的片状增益介质的上斜框、下斜框位置的相互平行，各放大模块之间的横向间距由注入光束的口径决定。

5.权利要求1所述的气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光放大器的放大注入脉冲的方法，其特征在于：P偏振态输入脉冲以布儒斯特角α入射并顺次通过第一个放大模块的N块复合式片状增益介质，一次通过放大后，在长度最短的下表面镀膜的增益介质的底部全内反射，再次通过按所述方式排列的N片状增益介质并被二次放大，最后以布儒斯特角从长度最长的片状增益介质出射，然后以布儒斯特角α、沿与在第一个放大模块中各块增益介质中相同的光束路径通过第二个放大模块从而实现了四通放大。

6.根据权利要求5所述的放大注入脉冲的方法，其特征在于所述的布儒斯特角α由片状增益介质材料的线性折射率n决定：α＝tan^-1n。