CN104319603A - 一种板条激光放大器及其激光输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板条激光放大器及其激光输出方法，包括增益介质模块、双色镜模块、泵浦模块；所述的增益介质模块包括激光晶体，所述的激光晶体包括一个掺杂激光晶体和两个非掺杂激光晶体，掺杂激光晶体与两个非掺杂激光晶体无胶键合，所述掺杂激光晶体的厚度为0.5～1.0mm，非掺杂激光晶体的厚度为0.5～1.0mm；种子激光以一定角度入射到激光晶体后，在双色镜之间来回反射，同时穿过双色镜之间的激光晶体，最终输出功率放大的激光。本发明利用超薄板条结构的键合激光晶体作为激光放大器的增益介质；减少了激光晶体的热效应，增加了增益介质的增益效果；可以获得高输出功率、高光束质量的连续或脉冲激光放大输出。

Description

一种板条激光放大器及其激光输出方法

技术领域

本发明涉及固体激光放大器技术领域，具体涉及一种板条激光放大器及其激光输出方法。

背景技术

激光放大器和激光(振荡)器都是基于“受激辐射的光放大”同一物理过程，唯一的区别是激光放大器没有谐振腔。激光放大器能够得到高输出功率、高光束质量激光束；而高输出功率和高光束质量这两指标在激光器中是一个矛盾的过程，难以同时满足。在激光放大器系统中，一般包括提供高光束质量而输出功率较低的种子激光束作为输入激光，输入激光再经过激光放大器进行功率放大，从而得到高输出功率和高光束质量的激光输出。

在现有的板条激光放大器系统中，仍然存在如何更高效的散热的问题；输入激光在板条激光晶体内部为Z型路径，其折角一般较大，泵浦增益的利用率较低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种板条激光放大器及其激光输出方法，其技术方案如下：

一种板条激光放大器，包括增益介质模块、双色镜模块、泵浦模块；所述的增益介质模块包括激光晶体和两个冷却热沉，两个冷却热沉分别固定在激光晶体宽边两侧，所述双色镜模块包括两个双色镜，位于增益介质模块左右两侧；所述泵浦模块设置有两个，位于两个双色镜的外侧；所述的激光晶体包括一个掺杂激光晶体和两个非掺杂激光晶体；所述掺杂激光晶体位于两个非掺杂激光晶体之间，且与两个非掺杂激光晶体无胶键合，所述掺杂激光晶体的厚度为0.5～1.0mm，非掺杂激光晶体的厚度为0.5～1.0mm。

优选的，所述的掺杂激光晶体和非掺杂激光晶体的宽度均为5～500mm，长度均为5～1000mm。

优选的，所述的非掺杂激光晶体为钇铝石榴石晶体，所述的掺杂激光晶体为掺钕钇铝石榴石晶体或者掺镱钇铝石榴石晶体。

优选的，所述的非掺杂激光晶体为酸钇晶体，所述掺杂激光晶体为掺钕钒酸钇晶体。

优选的，所述激光晶体和冷却热沉之间垫有一层铟；所述的激光晶体左、右表面均镀有对泵浦激光波段和输入激光波段都具有高透过率的膜。

优选的，所述的冷却热沉由黄铜或者紫铜制成，且冷却热沉内部有冷却液通道。

优选的，所述双色镜的内、外侧面均镀有对泵浦激光波段高透过率的膜，且双色镜内侧面均镀有对输入激光波段高反射率的膜。

优选的，所述两个双色镜与增益介质模块侧面平行，两个双色镜以与两个双色镜垂直的中心轴为中心，有一定的偏转夹角，两个双色镜之间的偏转夹角为1′～100′。

优选的，所述的泵浦模块输出的泵浦激光长条矩形光斑，光斑宽度小于激光晶体的厚度，长度小于激光晶体的宽度。

本发明还提供一种上述板条激光放大器的激光输出方法，所述激光输出方法包括如下步骤：

第一步：打开泵浦模块的开关装置，并预热5～10分钟，使泵浦模块产生稳定的泵浦激光，并通过双色镜入射到增益介质模块的激光晶体上，使激光晶体中的电子受激辐射；

第二步：将种子激光从增益介质模块左侧以相对于增益介质模块侧面5-30°的入射角射入激光晶体，并透射穿过激光晶体；

第三步：从激光晶体透射出的激光，入射到增益介质模块右侧的双色镜上，发生反射，再次入射到激光晶体；

第四步：入射到激光晶体的激光透射穿过激光晶体，入射到增益介质模块左侧的双色镜上，发生反射，再次入射到激光晶体；

第五步：激光在增益介质模块左右两侧的双色镜之间以上述方式重复反射，同时透射穿过激光晶体，在此过程中，冷却热沉通过铟的良好导热对激光晶体快速的冷却散热，最终激光从激光晶体右侧射出，得到输出激光。

本发明的有益效果：

1、激光晶体的掺杂激光晶体厚度在0.5～1mm，有利于激光晶体的散热，减少了激光晶体的热效应；

2、掺杂激光晶体的厚度较薄，增加了增益介质的增益效果，且在掺杂激光晶体两侧键合有非掺杂激光晶体，可以防止掺杂激光晶体断裂，且不影响激光晶体的散热；

3、掺杂激光晶体和非掺杂激光晶体为同质基底，从而能实现无胶键合，使得激光晶体的结合更为牢固；

4、泵浦激光的宽度较小，提高了泵浦激光的利用率。两个双色镜之间有微小的偏转夹角，避免形成平平腔谐振结构，防止激光自激振荡。

附图说明

附图1是本发明的俯视结构示意图；

附图2是本发明的增益介质模块正面结构示意图；

附图3是本发明的增益介质模块侧面结构示意图。

附图中：1、增益介质模块  2、双色镜  3、泵浦模块  4、掺杂激光晶体  5、非掺杂激光晶体  6、冷却热沉  7、种子激光  8、输出激光

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

一种板条激光放大器，包括增益介质模块、双色镜模块、泵浦模块；所述的增益介质模块包括激光晶体和两个冷却热沉，两个冷却热沉分别固定在激光晶体宽边两侧，所述双色镜模块包括两个双色镜，位于增益介质模块左右两侧；所述泵浦模块设置有两个，位于两个双色镜的外侧；所述的激光晶体包括一个掺杂激光晶体和两个非掺杂激光晶体；所述掺杂激光晶体位于两个非掺杂激光晶体之间，且与两个非掺杂激光晶体无胶键合，所述掺杂激光晶体的厚度为0.5～1.0mm，非掺杂激光晶体的厚度为0.5～1.0mm。

上述板条激光放大器中，掺杂激光晶体和非掺杂激光晶体采用无胶键合，使得激光晶体的结合更为稳定牢固，且掺杂激光晶体与现有技术相比，其厚度更薄，既有利于激光晶体的散热，又使得增益介质模块的增益效果加强，而掺杂激光晶体两侧设置有非掺杂激光晶体，有效的防止了掺杂激光晶体的断裂。

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种板条激光放大器，包括增益介质模块1、双色镜模块、泵浦模块3；所述的增益介质模块1包括激光晶体和两个冷却热沉6，两个冷却热沉6分别固定在激光晶体宽边两侧，所述双色镜模块包括两个双色镜2，位于增益介质模块1左右两侧；所述泵浦模块3设置有两个，位于两个双色镜2的外侧；所述的激光晶体包括一个掺杂激光晶体4和两个非掺杂激光晶体5；所述掺杂激光晶体4位于两个非掺杂激光晶体5之间，且与两个非掺杂激光晶体5无胶键合，所述掺杂激光晶体4的厚度为0.5～1.0mm，非掺杂激光晶体5的厚度为0.5～1.0mm。

上述板条激光放大器中，掺杂激光晶体4和非掺杂激光晶体5采用无胶键合，使得激光晶体的结合更为稳定牢固，且掺杂激光晶体4与现有技术相比，其厚度更薄，既有利于激光晶体的散热，又使得增益介质模块1的增益效果加强，而掺杂激光晶体4两侧设置有非掺杂激光晶体5，有效的防止了掺杂激光晶体4的断裂。

实施例一：

如图1至图3所示，一种板条激光放大器，包括增益介质模块1、双色镜模块、泵浦模块3；所述的增益介质模块1包括激光晶体和两个冷却热沉6，两个冷却热沉6分别固定在激光晶体宽边两侧，所述双色镜模块包括两个双色镜2，位于增益介质模块1左右两侧；所述泵浦模块3设置有两个，位于两个双色镜2的外侧；所述的激光晶体包括一个掺杂激光晶体4和两个非掺杂激光晶体5，使得激光晶体的结合更加稳定；所述掺杂激光晶体4位于两个非掺杂激光晶体5之间，且与两个非掺杂激光晶体5无胶键合，所述掺杂激光晶体4的厚度为0.5～1.0mm，与现有技术相比，掺杂激光晶体4的厚度很小，有利于激光晶体的散热，且增大了增益介质的增益效果，非掺杂激光晶体5的厚度为0.5～1.0mm，非掺杂激光晶体5能有效防止掺杂激光晶体4断裂，又不影响激光晶体的散热。

实施例二：

如图1至图3所示根据实施例一所说明的一种板条激光放大器，所述的掺杂激光晶体4和非掺杂激光晶体5的宽度均为5～500mm，长度均为5～1000mm；所述的非掺杂激光晶体4为钇铝石榴石晶体，掺杂激光晶体5为掺钕钇铝石榴石晶体或者掺镱钇铝石榴石晶体或者所述的非掺杂激光晶体为酸钇晶体，掺杂激光晶体4为掺钕钒酸钇晶体，掺杂激光晶体4和非掺杂激光晶体5为同质基底，从而掺杂激光晶体4和非掺杂激光晶体5之间可实现无胶键合；所述激光晶体和冷却热沉6之间垫有一层铟，铟具有较强热传导的作用，有利于激光晶体的散热；所述的激光晶体左、右表面均镀有对泵浦激光波段和输入激光波段都具有高透过率的膜，使泵浦激光能充分射入激光晶体内部，提高了泵浦激光的利用率，同时保证输入激光能反复透射，从而进行多次功率放大；所述的冷却热沉6由黄铜或者紫铜制成，黄铜和紫铜均是高导热材料，且冷却热沉6内部有冷却液通道，增强了增益介质的散热效果。

实施例三：

如图1至图3所示根据实施例二所说明的一种板条激光放大器，所述双色镜2的内、外侧面均镀有对泵浦激光波段高透过率的膜，使得泵浦激光能充分射入激光晶体，保证了泵浦激光的利用率，且双色镜内2侧面均镀有对输入激光波段高反射率的膜，保证了输入激光的多次反射，防止输入激光透射出双色镜，从而造成能量损失；所述两个双色镜2与增益介质模块1侧面平行，防止输入激光在反射过程中形成较大的入射角，从而减少了入射次数；两个双色镜2以与两个双色镜2垂直的中心轴为中心，有一定的偏转夹角，两个双色镜2之间的偏转夹角为1′～100′避免形成平平腔谐振结构，防止激光自激振荡；所述的泵浦模块输出的泵浦激光长条矩形光斑，光斑宽度小于激光晶体的厚度，长度小于激光晶体的宽度，避免过宽的泵浦激光不能被激光晶体所吸收，还会产生一定的热量。

实施例四：

如图1至图3，本发明还提供一种根据实施例三所述的板条激光放大器的激光输出方法，所述的激光输出步骤包括：

第一步：打开泵浦模块3的开关装置，并预热5～10分钟，使泵浦模块3产生稳定的泵浦激光，并通过双色镜2入射到增益介质模块1的激光晶体上，使激光晶体中的电子受激辐射；

第二步：将种子激光7从增益介质模块1左侧以相对于增益介质模块1侧面5-30°的入射角射入激光晶体，并透射穿过激光晶体；

第三步：从激光晶体透射出的激光，入射到增益介质模块1右侧的双色镜2上，发生反射，再次入射到激光晶体；

第四步：入射到激光晶体的激光透射穿过激光晶体，入射到增益介质模块1左侧的双色镜2上，发生反射，再次入射到激光晶体；

第五步：激光在增益介质模块1左右两侧的双色镜2之间以上述方式重复反射，同时透射穿过激光晶体，在此过程中，冷却热沉6通过铟的良好导热对激光晶体快速的冷却散热，最终激光从激光晶体右侧射出，得到输出激光8。

上述步骤中，种子激光7是从增益介质模块1的左后方入射的，在实际操作中，种子激光7可以从增益介质模块左前方、右前方、右后方等角度入射都不影响种子激光7的放大，而输出激光8的位置也会因种子激光7入射位置的变化而变化，同时还与增益介质模块1的长度有关，但种子激光7的入射位置一定和输出激光8的输出位置，前后相反。

实验一：

选取市场上普通的激光放大器，和本发明中实施例一、二、三所制备出的放大器，按照实施例四的激光输出方法，以功率为10W的连续准直激光作为种子激光，进行放大，对输出激光进行测验，测验结果如下表1：

表1：

测试项目	普通激光放大器	实施例一	实施例二	实施例三
					平均功率/W	200	430	470	510
光束质量因子	2.2	1.25	1.33	1.41

注：上述实验由中物院激光聚变研究中心先进激光技术及应用研究实验室操作进行。

由上述实验数据可以得出，相同的连续种子激光在本发明的板条激光放大器中，能获得更大的放大功率，且输出的激光的光束质量因子更接近于1，所以本发明的激光放大器，能输出功率更大，质量更好的的放大激光束。

实验二：

选取市场上普通的激光放大器，和本发明中实施例一、二、三所制备出的放大器，按照实施例四的激光输出方法，以功率为10W的脉冲准直激光作为种子激光，进行放大，对输出激光进行测验，测验结果如下表2：

表2：

测试项目	普通激光放大器	实施例一	实施例二	实施例三
					平均功率/W	200	440	510	520
平均能量/mJ	5	9	11	10
					光束质量因子	2.2	1.24	1.37	1.45

注：上述实验由中物院激光聚变研究中心先进激光技术及应用研究实验室操作进行。

由上述实验数据可以得出，相同的连续种子激光在本发明的板条激光放大器中，能获得更大的放大功率和更大的平均能量，且输出的激光的光束质量因子更接近于1，所以本发明的激光放大器，能输出功率更大，质量更好的的放大激光束。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种板条激光放大器，包括增益介质模块、双色镜模块、泵浦模块；所述的增益介质模块包括激光晶体和两个冷却热沉，两个冷却热沉分别固定在激光晶体宽边两侧，所述双色镜模块包括两个双色镜，位于增益介质模块左右两侧；所述泵浦模块设置有两个，位于两个双色镜的外侧；

其特征在于，所述的激光晶体包括一个掺杂激光晶体和两个非掺杂激光晶体；所述掺杂激光晶体位于两个非掺杂激光晶体之间，且与两个非掺杂激光晶体无胶键合，所述掺杂激光晶体的厚度为0.5～1.0mm，非掺杂激光晶体的厚度为0.5～1.0mm。

2.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于，所述的掺杂激光晶体和非掺杂激光晶体的宽度均为5～500mm，长度均为5～1000mm。

3.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于，所述的非掺杂激光晶体为钇铝石榴石晶体，所述的掺杂激光晶体为掺钕钇铝石榴石晶体或者掺镱钇铝石榴石晶体。

4.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于，所述的非掺杂激光晶体为酸钇晶体，所述掺杂激光晶体为掺钕钒酸钇晶体。

5.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于，所述激光晶体和冷却热沉之间垫有一层铟；所述的激光晶体左、右表面均镀有对泵浦激光波段和输入激光波段都具有高透过率的膜。

6.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于，所述的冷却热沉由黄铜或者紫铜制成，且冷却热沉内部有冷却液通道。

7.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于，所述双色镜的内、外侧面均镀有对泵浦激光波段高透过率的膜，且双色镜内侧面均镀有对输入激光波段高反射率的膜。

8.根据权利要求7所述的一种板条激光放大器，其特征在于，所述两个双色镜与增益介质侧面平行，两个双色镜以与两个双色镜垂直的中心轴为中心，有一定的偏转夹角，两个双色镜之间的偏转夹角为1′～100′。

9.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于，所述的泵浦模块输出的泵浦激光长条矩形光斑，光斑宽度小于激光晶体的厚度，长度小于激光晶体的宽度。

10.一种如权利要求1至9任意一项所述的一种板条激光放大器的激光输出方法，其特征在于，所述激光输出方法包括如下步骤：

第一步：打开泵浦模块的开关装置，并预热5～10分钟，使泵浦模块产生稳定的泵浦激光，并通过双色镜入射到增益介质模块的激光晶体上，使激光晶体中的电子受激辐射；

第二步：将种子激光从增益介质模块左侧以相对于增益介质模块侧面5-30°的入射角射入激光晶体，并透射穿过激光晶体；

第三步：从激光晶体透射出的激光，入射到增益介质模块右侧的双色镜上，发生反射，再次入射到激光晶体；

第四步：入射到激光晶体的激光透射穿过激光晶体，入射到增益介质模块左侧的双色镜上，发生反射，再次入射到激光晶体；

第五步：激光在增益介质模块左右两侧的双色镜之间以上述方式重复反射，同时透射穿过激光晶体，在此过程中，冷却热沉通过铟的良好导热对激光晶体快速的冷却散热，最终激光从激光晶体右侧射出，得到输出激光。