CN105161964B - 一种片状激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片状激光放大器，包括片箱、灯箱和框架，所述片箱内固定连接有增益介质，所述灯箱包括氙灯和隔板玻璃，所述片箱包括上端面、下端面、入射面、出射面和2个泵浦面，所述灯箱为2个，分别为第一灯箱和第二灯箱，所述片箱固定连接在所述框架的中心，所述第一灯箱和第二灯箱分别与所述片箱的2个泵浦面相对，所述灯箱与所述框架固定连接，所述第一灯箱的氙灯和第二灯箱的氙灯沿激光主光路方向呈非对称错位排布，本发明的激光放大器能够抑制增益塌边效应，结构紧凑，小信号增益系数大，增益均匀性好。

Description

一种片状激光放大器

技术领域

本发明涉及高功率固体激光器技术领域，具体而言，涉及一种片状激光放大器。

背景技术

在高功率固体激光驱动器30多年的发展历程中，激光驱动器技术得到了飞速的发展，特别是在激光惯性约束聚变技术的激励下，世界许多国家的重要单位和实验室都对各种规模和各种水平的超高功率激光驱动器进行了大量研究，比如美国利弗莫尔实验室、法国里梅尔实验室、日本大阪大学激光工程中心等。其中，美国利弗莫尔实验室研制的高功率激光驱动器代表了世界最高水平，从70年代开始先后建造了Janus、Argus、Shiva、Nova和NIF等固体激光器系统，大口径片状激光放大器取得了巨大发展。在这些激光驱动器中，非常重要的一个模块是片状激光放大器，它主要解决装置纵向能流传递转换问题，是整个驱动器的核心部分，其性能的好坏直接影响装置的输出能量和功率，对系统的总体性能有着重要影响。

衡量片状放大器的重要参数有放大器尺寸、小信号增益系数、增益均匀性等，对放大器尺寸影响较大的是放大器的泵浦源，目前常用的片状激光放大器的泵浦源主要有氙灯和激光二极管，激光二极管具有尺寸小、易于集成等优势，但由于工艺不成熟，激光二极管的价格昂贵、均匀性难以做得很好，氙灯虽然体积大，但价格便宜，是目前片状激光放大器的主要选择。

由于片状激光放大器需要高增益输出，在高增益情况下，由于放大自发辐射效应的存在，会导致激光放大器增益出现明显的塌边现象，使得激光经过放大器后的波前畸变明显，影响了激光放大器的使用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种抑制增益塌边效应的片状激光放大器，该激光放大器结构紧凑，小信号增益系数大，增益均匀性好。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种片状激光放大器，包括片箱、灯箱和框架，所述片箱内固定连接有增益介质，所述灯箱包括氙灯和隔板玻璃，所述片箱包括上端面、下端面、入射面、出射面和2个泵浦面，所述灯箱为2个，分别为第一灯箱和第二灯箱，所述片箱固定连接在所述框架的中心，所述第一灯箱和第二灯箱分别与所述片箱的2个泵浦面相对，所述灯箱与所述框架固定连接，所述第一灯箱的氙灯和第二灯箱的氙灯沿激光主光路方向呈非对称错位排布。

进一步，所述增益介质倾斜放置，增益介质表面法线与入射激光的夹角为布儒斯特角。

进一步，所述第一灯箱与增益介质最靠近出射面的边缘平齐，所述第二灯箱与增益介质最靠近入射面的边缘平齐，增益介质最靠近出射面的边缘到第一灯箱的距离小于增益介质最靠近入射面的边缘到第一灯箱的距离。

进一步，所述氙灯为9支，并且等间距排列。

进一步，6支所述氙灯串联为一个放电回路，所述放电回路的工作电压为20.9-23.1kV/回路，电容为349-385μF/回路，电感为66.5-73.5μH/回路，电阻为93-103mΩ/回路。

进一步，所述灯箱还包括第一反射器，除隔板玻璃所在的侧面外，所述灯箱的内侧面设有所述第一反射器。

进一步，所述第一反射器表面镀有SiO₂膜层。

进一步，所述隔板玻璃的内表面和外表面分别镀有增透的宽带化学膜。

进一步，所述片箱还包括压框，所述压框与增益介质的端面固定连接，所述激光放大器还包括第二反射器，所述第二反射器位于增益介质和压框之间。

进一步，所述激光放大器还包括2个端镜，2个所述端镜与所述框架固定连接，2个所述端镜分别与入射面和出射面相对，所述端镜的表面法线与入射激光的夹角为0.8-1.2°。

本发明的有益效果如下：

1、第一灯箱的氙灯和第二灯箱的氙灯呈非对称错位排布，提高了氙灯辐射光在增益介质表面分布的均匀性和氙灯的发光效率，同时抑制了高增益导致的增益塌边现象，提高了片状放大器的增益均匀性；

2、灯箱中除了隔板玻璃面的其余各面以及片箱的两端面均设有反射器，增加了对泵浦光的反射，使泵浦光最大程度的反射到增益介质表面，提高了泵浦效率；

3、反射器表面镀有SiO₂膜层，具有保护其内侧的镀银层的作用，防止镀银层硫化导致的反射率降低现象，保证了片状激光放大器长期工作的稳定性；

4、通过灯箱与增益介质之间位置的设置，以及反射板与增益介质之间位置的设置，使整个片状激光放大器结构更为紧凑，同时整个泵浦腔的传输效率提高10％以上；

5、端镜的表面法线与入射激光成微小夹角，2个端镜呈“八”字分布，有效抑制了端镜剩余反射引起的自激振荡，保证了整个片状放大器的可靠运行。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意爆炸图；

图2为本发明的片箱和灯箱俯视图；

图3为本发明的片箱结构示意图；

图4为本发明的端镜排列示意图。

图中：1—片箱，11—增益介质，111—第一竖边，112—第二竖边，12—压框，13—支撑杆，2—第一灯箱，21—隔板玻璃，23—氙灯，3—第二灯箱，4—端镜，41—端镜的法线，5—端镜，6—框架底座，7—第二反射器，8—入射激光。

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。

实施例一：

如图1所示，一种片状激光放大器，包括片箱1、2个灯箱、框架、端镜4、端镜5、第二反射器7(图中未示出)，增益介质11固定连接在片箱1内，增益介质11为片状，片箱1包括上端面、下端面、入射面、出射面和2个泵浦面，增益介质11在片箱1内倾斜设置，增益介质11表面法线与入射激光8的夹角为布儒斯特角。片箱1固定连接在框架的中心，2个灯箱分别为第一灯箱2和第二灯箱3，第一灯箱2和第二灯箱3分别与片箱1的2个泵浦面相对，灯箱与框架固定连接。端镜4和端镜5与所述框架固定连接，端镜4与入射面相对，端镜5与出射面相对。灯箱包括氙灯23、第一反射器和隔板玻璃21，除隔板玻璃21所在的侧面外，灯箱的内侧面均设有第一反射器，第一反射器的镀层为三层，由内向外依次是：铜膜层、银膜层和SiO₂膜层。铜膜层厚度为10μm，银膜层厚度不低于40μm，镀层要求牢固，以避免在强氙灯光辐照以及在灯箱维护等过程中脱落，镀银后表面抛光至镜面，对镀银反射器涂镀SiO₂膜层，防止镀银层硫化导致反射率降低，隔板玻璃21的内表面和外表面均镀有增透的宽带化学膜，宽带是指从紫外光到红外光的光谱带，使得氙灯光平均透过率大于94％。第一反射器的设置增加了对氙灯光的反射，使得氙灯光最大程度地反射到增益介质11表面，从而提高了泵浦效率。本发明的片状激光放大器为封闭装置，框架的上表面设有氮气流入口，下表面设有氮气流出口和电气接口，用于通入氮气对增益介质和整个激光放大器进行冷却。对于框架，图中只示出了框架底座6。

如图2所示，第一灯箱2的氙灯23和第二灯箱3的氙灯23沿激光主光路方向呈非对称错位排布，第一灯箱2的氙灯23的中心位于对应的第二灯箱3的两个氙灯23的中点处，第二灯箱3的氙灯23的中心位于对应的第一灯箱2的两个氙灯23的中点处，增益介质11包括第一竖边111和第二竖边112，第一灯箱2的侧面与增益介质11的最靠近出射面的边缘平齐，即第一灯箱2的侧面与第二竖边112位于同一平面，第二灯箱3与增益介质11的最靠近入射面的边缘平齐，即第二灯箱3与第一竖边111位于同一平面，第一竖边111到第一灯箱2的距离小于第二竖边112到第一灯箱2的距离。若第一竖边111和第二竖边112不与第一灯箱2平行，那么，此处的距离用第一竖边111的端点和第二竖边112的端点进行计算。每一个灯箱中的氙灯23均为9支，并且等间距排列。6支氙灯23串联为一个放电回路，两个灯箱共使用3个放点回路，放电回路的工作电压为20.9-23.1kV/回路，电容为349-385μF/回路，电感为66.5-73.5μH/回路，电阻为93-103mΩ/回路。

如图3所示，片箱1还包括压框12和支撑杆13，压框12与增益介质11的横边固定连接，第二反射器7位于增益介质11和压框12之间，第二反射器7为上下2个。现有技术普遍是将压框12放置在增益介质11和第二反射器7之间，这种设计结构松散，造成氙灯光的不必要浪费，本发明可以有效的减小片状激光放大器的尺寸，同时减小了第二反射器7距离增益介质11的距离，能够增加第二反射器7对氙灯光的反射，提高了氙灯光的利用率。

如图4所示，端镜的法线41与入射激光8的夹角β为0.8-1.2°，优选地为1°，端镜4和端镜5呈“八”字形排列，该角度的设置对入射激光8的透过率影响不明显，但能够有效抑制端镜剩余反射引起的自激振荡，保证了整个片状放大器的可靠运行。端镜4和端镜5的表面镀有对入射激光8增透的介质膜。

本实施例中增益介质11为钕玻璃片，钕玻璃片的尺寸的选择要考虑激光口径和钕玻璃片折射率对入射激光8的水平偏移量。如图2所示，在入射激光8以布儒斯特角θ＝arctan(n)入射到钕玻璃片情况下，由于钕玻璃片的折射率会导致入射激光8在水平方向上产生偏移，偏移量Δ的大小为：

其中d是钕玻璃片的厚度，n是钕玻璃片的折射率。

那么考虑到安装钕玻璃片是包边的尺寸，可以得到钕玻璃片的长度l应满足下面关系式：

其中，a是激光口径的水平尺寸，本实施例为400mm×400mm。钕玻璃片的尺寸(长度×宽度×厚度)选为810mm×460mm×40mm(含包边)，钕玻璃片以布儒斯特角放置于主光路中，入射激光以布儒斯特角入射到钕玻璃片，其安装环境洁净度优于100级，以避免表面附着杂质颗粒造成激光损伤。

本实施例中，优选地氙灯23内径为41mm，氙灯23气压为200Torr，放电弧长为450mm，氙灯23放电回路的工作电压为22kV/回路，电容为355μF/回路，电感为68μH/回路，电阻为99mΩ/回路。

由于钕玻璃片(除包边外)投射于灯箱方向的泵浦面积约为784mm×434mm，因此9支氙灯23在泵浦面积长度方向(784mm)等间距排布，

本发明中每个灯箱由9支氙灯23组成，每6支氙灯23串联成一个回路，同一个氙灯组中的氙灯23等间距排布，第一灯箱2的氙灯23和第二灯箱3的氙灯23呈非对称错位排布，加上特定的氙灯23供电参数，提高了氙灯23辐射光在增益介质表面分布的均匀性和氙灯的发光效率，同时抑制了高增益导致的增益塌边现象，进而提高了片状放大器的增益均匀性。

片状激光放大器的工作过程为：首先给激光放大器的供电回路模块充电，待充电电量达到要求后，供电模块给氙灯回路放电，氙灯23将电能转化为光能照射到钕玻璃片上；钕离子吸收氙灯光能，通过辐射跃迁在增益介质11内的激光上下能级之间形成粒子数反转，使增益介质11获得足够的储能；当储能到某个时刻，入射激光8脉冲通过钕玻璃片时，钕离子由高能级向低能级受激辐射跃迁，实现激光的放大过程。

激光放大器运行完毕后，对钕玻璃片采用洁净度优于100级的氮气进行吹扫，以促进热畸变的恢复与避免气溶胶在其表面的附着，同时用空气吹扫灯箱，促进其热恢复。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种片状激光放大器，包括片箱、灯箱和框架，所述片箱内固定连接有增益介质，所述灯箱包括氙灯和隔板玻璃，其特征在于，所述片箱包括上端面、下端面、入射面、出射面和2个泵浦面，所述灯箱为2个，分别为第一灯箱和第二灯箱，所述片箱固定连接在所述框架的中心，所述第一灯箱和第二灯箱分别与所述片箱的2个泵浦面相对，所述灯箱与所述框架固定连接，所述第一灯箱的氙灯和第二灯箱的氙灯沿激光主光路方向呈非对称错位排布；

所述激光放大器还包括2个端镜，2个所述端镜与所述框架固定连接，2个所述端镜分别与入射面和出射面相对，所述端镜的表面法线与入射激光的夹角为0.8-1.2°；

所述增益介质倾斜放置，增益介质表面法线与入射激光的夹角为布儒斯特角，所述氙灯为9支，并且等间距排列。

2.根据权利要求1所述的片状激光放大器，其特征在于，所述第一灯箱与增益介质最靠近出射面的边缘平齐，所述第二灯箱与增益介质最靠近入射面的边缘平齐，增益介质最靠近出射面的边缘到第一灯箱的距离小于增益介质最靠近入射面的边缘到第一灯箱的距离。

3.根据权利要求1所述的片状激光放大器，其特征在于，6支所述氙灯串联为一个放电回路，所述放电回路的工作电压为20.9-23.1kV/回路，电容为349-385μF/回路，电感为66.5-73.5μH/回路，电阻为93-103mΩ/回路。

4.根据权利要求3所述的片状激光放大器，其特征在于，所述灯箱还包括第一反射器，除隔板玻璃所在的侧面外，所述灯箱的内侧面设有所述第一反射器。

5.根据权利要求4所述的片状激光放大器，其特征在于，所述第一反射器表面镀有SiO₂膜层。

6.根据权利要求5所述的片状激光放大器，其特征在于，所述隔板玻璃的内表面和外表面分别镀有增透的宽带化学膜。

7.根据权利要求1所述的片状激光放大器，其特征在于，所述片箱还包括压框，所述压框与增益介质的端面固定连接，所述激光放大器还包括第二反射器，所述第二反射器位于增益介质和压框之间。