CN105244743A

CN105244743A - 新型棒状激光放大器

Info

Publication number: CN105244743A
Application number: CN201510747119.XA
Authority: CN
Inventors: 陈林; 陈远斌; 姚轲; 刘建国; 贺少勃; 刘勇; 谢旭东; 范琛; 高松; 唐军; 卢振华; 朱启华; 胡东霞; 郑奎兴; 粟敬钦
Original assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-01-13

Abstract

本发明提供新型棒状激光放大器，包括腔体1，所述腔体1由下方的支撑件7支撑；所述腔体1为柱形结构，腔体1中心轴线方向上设置直径为78～82mm的棒状增益介质4；与腔体1中心轴线平行的轴线方向上由内向外依次设置有氙灯组与反射器2。本发明采用直径相对较大的氙灯作为泵浦源，极大提高了氙灯的泵浦能量密度，从而提高了棒状增益介质的增益能力；同时，通过合理设计氙灯组的数目、排布和供电参数，保证了增益介质表面上氙灯光辐射的均匀性；将反射器设计为柱形结构，工艺简单同时反射均匀性好。

Description

新型棒状激光放大器

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，涉及新型棒状激光放大器。

背景技术

近几十年里，高功率固体激光器技术取得了飞速的发展，许多国家先后建立了超大规模的激光驱动器。作为中、高功率水平的激光驱动器中的重要组成部分，棒状激光放大器因其超高的能量/功率放大能力而得到广泛研究。到目前为止，棒状激光放大器的输出能量在数毫焦到数百焦耳水平，单程增益倍数在几到几十范围内。目前由于单级单程棒状放大器的放大能力始终是非常有限的，难以满足系统对输出能量的要求，因此棒状放大器均采用口径变化的多级棒状放大器或单级多程棒状放大器组成。但考虑到单级多程棒状放大器对光束波前畸变的严重影响和设计复杂度，同时为了提高整个系统的能量提取效率，口径变化的多级棒状放大器成为研究热点。

在口径变化的多级棒状放大器设计中，末级大口径棒状放大器设计是非常困难的，这主要是因为增加棒状增益介质的口径会带来下面几个问题。

第一，棒状增益介质口径越大，增益介质的体积越大，所需要的泵浦能量越多，因此对氙灯的输出能力提出了很高的要求；

第二，增加增益介质的口径会带来非常差的增益均匀性，从而产生严重的波前畸变；

第三，增益介质的口径越大，放大器工作过程中在增益介质横截面上的温度梯度分布越明显，这种温度分布会导致严重的热应力和热致双折射，进一步影响激光光束的波前。

因此，棒状激光放大器的性能有待进一步提高，尤其需要一种增益均匀性好，热管理好的大口径棒状激光放大器。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，从激光放大器的增益能力、增益均匀性和效率出发，本发明提供新型棒状激光放大器，其具体的技术方案如下：

新型棒状激光放大器，其包括腔体1，所述腔体1由下方的支撑件7支撑；所述腔体1为柱形结构，腔体1设置进水口5和出水口6；腔体1中心轴线方向上设置直径为78～82mm的棒状增益介质4；与腔体1中心轴线平行的轴线方向上由内向外依次设置有氙灯组与反射器2。

进一步，所述氙灯组由8支相对腔体轴心线呈圆形对称分布的氙灯3组成；所述8支氙灯串联成一个回路。

进一步，所述氙灯3的氙灯的外径是35～39mm，内径是30～32mm。

进一步，所述棒状增益介质4中心轴线与氙灯3中心轴线之间的距离为66.5mm。

进一步，所述反射器2由两块相同的半圆柱形反射器拼起来构成，拼接部分留有缝隙，反射器的内表面镀有金膜。

进一步，所述棒状增益介质4为钕玻璃棒。

本发明的有益效果如下：

1、相比于现有棒状放大器，本发明中根据现有工艺水平，采用直径大的氙灯作为泵浦源，在相同氙灯数量的情况下，极大提高了氙灯的泵浦能量密度，从而提高了棒状增益介质的增益能力。

2、本发明采用氙灯对称分布和圆柱形反射器的结合，提高了棒状增益介质上的增益均匀性，减小了由于增益分布不均匀性带来的波前畸变。

3、本发明采用全腔水冷，让氙灯和增益介质直接放置于水中，能提高散热能力，减小了热应力和热致双折射对光束质量的影响。

4、本发明从效率和增益能力出发，通过合理设计氙灯组的数目、排布和供电参数，保证了放大器的增益能力，同时系统的能量利用率很高。

附图说明

图1为本发明的新型棒状激光放大器的结构示意图；

图2为本发明的新型棒状激光放大器的轴向截面图。

图中标号含义：

1：腔体；2：反射器；3：氙灯；4：棒状增益介质；5：进水口；6：出水口；7：支撑件。

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1：

本实施例如图1所示，新型棒状激光放大器，包括腔体1、反射器2、氙灯3、棒状增益介质4、进水口5、出水口6和支撑件7。整个系统呈现出圆柱形结构。各组件的位置关系是，棒状增益介质4位于圆柱形腔体1轴心线方向排布，从圆柱形腔体1的轴心线往外依次是反射器2和氙灯3。腔体1还设置进水口5与出水口6。冷却水从进水口5进入，对激光放大器冷却后从出水口6流出，整个结构固定在支撑件7上面。

本实施例的一个优选方案如图2所示，8支氙灯3中心均匀排布在钕玻璃棒3的同心圆上，氙灯3之间的距离和角度相同。

此外，棒状增益介质4中心轴线与氙灯3中心轴线之间的距离优选设置66.5mm。

反射器2由两块完全相同的半圆柱形反射器拼接构成，拼接部分留有缝隙，保证冷却水能渗透进入和渗透出反射器2，反射器的内表面优选镀有金膜。

冷却水从进水口5进入，并通过圆柱形反射器的缝隙扩散到整个腔体，与钕玻璃棒和氙灯直接接触，对激光放大器冷却后从出水口6流出。

在本实施例中，棒状增益介质4为钕玻璃棒，钕玻璃棒和氙灯的参数如下：

钕玻璃棒参数	直径(mm)	长度(cm)	掺杂浓度(wt％)
				数值	78～82mm	66	0.25

氙灯参数	内径(mm)	外径(mm)	电压(kV)	电容(μF)	电感(μH)
						数值	30～32	35～39	21	220	40

对于棒状激光放大器而言，小信号增益系数、增益均匀性和增益倍数是很重要的几个参数，各个参数的定义如下：

I_{o u t} = I_{i n} e^{(g_{0} - α) L}

其中，g₀是小信号增益系数，α是吸收系数，L是增益棒的长度，I_in是输入激光能量，I_out是输出激光能量。

增益倍数定义为输出能量与输入能量的比值，即

一般而言，由于钕玻璃板存在一定厚度，因此氙灯光照射到钕玻璃棒上会产生一定的能量密度分布梯度，边缘分布较高，中心较低，这里增益均匀性定义为钕玻璃棒中心增益与边缘增益的比值。

根据本实施例，得到的棒状激光放大器的小信号增益系数、增益均匀性和增益倍数如下：

棒状放大器性能	小信号增益系数(％cm^-1)	增益均匀性	增益倍数
				数值	5	1.5:1	27

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

1.新型棒状激光放大器，其特征在于：包括腔体(1)，所述腔体(1)由下方的支撑件(7)支撑；所述腔体(1)为柱形结构，腔体(1)设置进水口(5)和出水口(6)；腔体(1)中心轴线方向上设置直径为78～82mm的棒状增益介质(4)；与腔体(1)中心轴线平行的轴线方向上由内向外依次设置有氙灯组与反射器(2)。

2.根据权利要求1所述的新型棒状激光放大器，其特征在于：所述氙灯组由8支相对腔体轴心线呈圆形对称分布的氙灯(3)组成；所述8支氙灯串联成一个回路。

3.根据权利要求2所述的新型棒状激光放大器，其特征在于：所述氙灯(3)的氙灯的外径是35～39mm，内径是30～32mm。

4.根据权利要求1所述的新型棒状激光放大器，其特征在于：所述棒状增益介质(4)中心轴线与氙灯(3)中心轴线之间的距离为66.5mm。

5.根据权利要求1所述的新型棒状激光放大器，其特征在于：所述反射器(2)由两块相同的半圆柱形反射器拼起来构成，拼接部分留有缝隙，反射器的内表面镀有金膜。

6.根据权利要求1所述的新型棒状激光放大器，其特征在于：所述棒状增益介质(4)为钕玻璃棒。