CN105261919A - 渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，包括泵浦模块、耦合透镜模块、双色镜模块、增益介质模块，所述增益介质模块采用组合式薄片渐变掺杂激光增益介质，且与激光通光方向垂直正交放置，所述泵浦模块包括平面二极管阵列泵浦源一和平面二极管阵列泵浦源二，分别置于增益模块两侧对其端面泵浦。本发明利用组合式薄片渐变掺杂激光增益介质和变化掺杂包边介质、二极管端面泵浦、低温高压氦气主动冷却，有效地降低了放大自发辐射、阻止了寄生振荡的产生，提高了储能效率，同时减少了废热生成，匀滑了介质内的温度分布，进一步提高了热管理效果，有利于实现高重复频率、高能高功率和高光束质量的激光输出。

Description

渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器

技术领域

本发明属于激光放大装置技术领域，具体涉及渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器。

背景技术

能源危机是人类发展面临的共同挑战，惯性聚变能源(IFE)是公认的安全、无碳、可持续发展的洁净能源。惯性聚变能的研究已经超过50年，作为解决人类能源的长久之计以及创造极端物理条件的方法，具有强烈的吸引力。在激光聚变需求的牵引下，各国先后建成了一系列大型高功率激光驱动器装置，如美国的国家点火装置(NIF)、法国的兆焦耳装置(LMJ)以及我国的神光系列装置(SG)等。NIF的建成和国家点火攻关的开展，标志着激光聚变能源研究进入了一个新的阶段。但当前的这些装置主要基于传统的氙灯泵浦块状钕玻璃，整体效率偏低，且基本上都是单发装置，每次打靶后都需要几小时的冷却来消除热畸变，恢复原性能，无法满足未来IFE电站在技术和经济上对高效、重频激光驱动器的需求。随着二极管阵列的快速发展，二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)成为IFE驱动器的一条重要技术途径。然而，放大自发辐射(ASE)和热效应仍然是制约重频驱动器性能的关键因素，研究新型的增益介质和放大器结构，采用有效的热管理和ASE抑制技术，是发展重频、高能高功率激光技术的核心。

近年来，得益于高功率二极管阵列的发展，掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)激光材料得到了广泛的研究。相比钕玻璃，Yb:YAG的热机械性质更加优异；而且，Yb离子的荧光寿命长，量子效率高，热生成率低，能级结构简单，避免了浓度淬灭、激发态吸收和频率上转换等过程，更有利于高平均功率运行。尽管常温下Yb:YAG的饱和通量相对较高不利于能量提取，但冷却到低温可显著提高其受激发射截面，减少下能级的再吸收，同时也可进一步改善材料的热机械性质。另外，Yb:YAG陶瓷材料的发展将有助于获得高质量、大尺寸的介质。

目前，为了验证激光聚变能电站的可行性，基于DPSSL技术美国和欧洲分别提出了LIFE、HiPER计划，并将Yb:YAG作为主要的候选材料之一[A.Bayramian,S.Aceves,T.Anklametal.,"Compact,EfficientLaserSystemsRequiredforLaserInertialFusionEnergy,"FusionScienceAndTechnology60,28-48(2011).J.C.Chanteloup,D.Albach,A.Lucianetti,etal.,"MultikJlevelLaserConceptsforHiPERFacility,"TheSixthInternationalConferenceonInertialFusionSciencesandApplications,2010.]。它们还相继提出了叠片和有源镜放大器，并分别采用高压氦气分布式表面冷却，低温、低气压、静态气体背面传导冷却增益介质移除废热，有效地进行热管理。此外，Chanteloup等人也考虑在有源镜放大器中沿抽运方向对介质采用渐变掺杂浓度来优化增益系数，减少横向ASE和增益介质的厚度，避免ASE和热效应的影响[J.-C.Chanteloup,D.Albach,G.Bourdet,etal.,"ImpactofVariableDopedGainMediumonHiPERMultiplekJ/～10HzDiodePumpedBeamLinesDesign,"WB6,ASSP,OSA,2009.]。针对该技术方案，通过水平直接结晶技术，Azrakantsyan等人已经证实渐变掺杂Yb:YAG单晶的可行性[M.Azrakantsyan,D.Albach,N.Ananyan,etal.,"Yb3+:YAGcrystalgrowthwithcontrolleddopingdistribution,"OpticalMaterialsExpress2,20-30(2012).]。

另外，采用共烧结陶瓷和液相外延生长技术也可获得渐变掺杂的Yb:YAG材料。然而，这种方案仍然局限于有源镜结构中，还没有关于渐变掺杂叠片放大器结构的报道。

发明内容

本发明提供了一种渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，利用高功率二极管阵列作为泵浦源，掺镱钇铝石榴石材料中镱离子浓度采用渐变掺杂使整个放大器小信号增益保持均匀，同时在片与片之间通过高速低温氦气主动冷却介质，高效移除废热，从而实现激光放大器高效高重复频率运行。其具体的技术方案如下：

渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其包括增益介质模块、双色镜模块、耦合透镜模块、泵浦模块,其中：

所述的增益介质模块采用组合式薄片渐变掺杂激光增益介质，所述增益介质模块与激光通光方向正交设置；

所述的增益介质模块两侧由近及远依次设置双色镜模块、耦合透镜模块、泵浦模块；

所述双色镜模块包括双色镜一和双色镜二，所述双色镜一和双色镜二以增益介质模块为中心对称设置；

所述耦合透镜模块包括平行排列的透镜组一和透镜组二，所述透镜组一和透镜组二分别设置于双色镜一和双色镜二外侧，并以增益介质模块为中心对称设置；

所述泵浦模块包括平行排列的平面二极管阵列泵浦源一和平面二极管阵列泵浦源二，分别置于透镜组一和透镜组二外侧，并以增益介质模块为中心对称设置；

所述泵浦模块经耦合透镜模块整形传输，通过双色镜模块后对增益介质模块左右两侧进行泵浦。

作为优选方案，所述双色镜一和双色镜二以45度角度倾斜排列。

其中，所述的增益介质模块由增益单元和叶片单元组成，其中：

所述的增益单元包括多片增益介质，所述多片增益介质由密封窗口密封；

所述多片增益介质间隔分立的被安装在多块流体动力学型叶片上，所述的流体动力学型叶片与叶片之间形成冷却通道，所述的冷却通道分别设有冷却剂的进口和出口。

作为优选方案，所述冷却剂为低温高压氦气，温度范围为90～320K，压强范围为0～15atm。

进一步，所述冷却通道分为喷嘴区、冷却区和扩散区，冷却剂经过前部喷嘴区后，逐渐加速，在冷却区内保持均匀稳定，对增益介质进行冷却，最后经扩散区减速离开增益模块。

作为优选方案，所述增益介质采用镱离子渐变掺杂的掺镱钇铝石榴石晶体或陶瓷激光片，并相应地由掺铬钇铝石榴石晶体或陶瓷包边材料进行包边，所述的掺镱钇铝石榴石激光片采用非线性的掺杂浓度由两端向中间逐渐升高；所述的包边材料使用均匀或变化的掺杂浓度附着在每片激光片的四周。

进一步，所述掺镱钇铝石榴石材料口径、片数根据热管理需求和输出能量决定，其镱离子浓度由准三能级离子泵浦动力学优化计算确定，以使每片增益介质内获得相同的小信号增益，吸收的泵浦能量以及生成热能也均匀分布。

进一步，所述每片增益介质厚度、宽度、铬离子的浓度根据热管理和寄生振荡的抑制条件优化确定，使包边材料对ASE光线的吸收超过99％，并且包边与增益介质内的热分布均匀。

进一步，所述的双色镜模块中双色镜一和双色镜二的两面分别都镀有泵浦光增透膜；靠近所述增益介质模块的内侧面还镀有针对种子激光的高反膜。

进一步，所述的泵浦模块中平面二极管阵列泵浦源一和平面二极管阵列泵浦源二经耦合透镜模块和双色镜模块后泵浦光为完美的超高斯平顶光束，光束强度、填充因子和发散角相同。

本发明的有益效果如下：

第一、本发明的增益介质采用薄片激光材料组合结构，合理调整掺杂介质厚度，缩短了散热距离；介质长宽侧面面积大，增大了散热面积，通过分布式表面冷却后可有效移除介质内的废热，在介质横向上热分布非常均匀，且能有效避免通光方向上热梯度的形成，从而消除热效应对光束质量的影响，确保高重复频率下正常运行。

第二、采用渐变掺杂掺镱钇铝石榴石材料作为增益介质，钇铝石榴石基质的热传导率、热光系数和热膨胀系数非常优异，且在低温下会进一步得到改善，便于热管理；渐变掺杂镱离子能在介质中获得相同的小信号增益g0，使增益长度积g0L全部处于放大器设计的经验极限值内，从而有利于控制ASE，提高增益能力和储能效率，同时还能进一步缩短介质的总长度，有效限制B积分对种子光束的影响。

第三、采用掺铬钇铝石榴石材料作为吸收包边可有效的阻止寄生振荡的产生，避免储能效率的降低；另外，如果采用浓度变化的四价铬掺杂，还可进一步的缩小激光片的口径，匀滑介质内的热分布，消除热效应，有利于热管理。

第四、采用二极管阵列端面泵浦，相比传统的氙灯泵浦能有效提高泵浦光的吸收效率，同时减少废热的产生，提高泵浦激光的有效利用率，使放大器结构更加紧凑。

第五、采用流体动力学型叶片，叶片的形状可通过有限元方法分析优化模拟，确保冷却剂在各冷却通道内均匀一致，相对较小的压损便于循环使用。

第六、采用氦气作为冷却剂，与其他气体相比，氦气具有更高的热导率、因折射率波动而引起的散射损耗和光束畸变更小，且能冷却到10K以下，因而非常适合低温冷却增益介质。

附图说明

图1是本发明渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器的结构示意图。

图2是本发明增益介质模块的结构主视图。

图3是本发明冷却通道的结构主视图。

图4是本发明单片增益介质的结构左视图。

图5是本发明实施例中增益介质渐变掺杂浓度和小信号增益沿厚度优化的曲线图。

图中符号说明：

1：种子光注入；2：种子光输出；3：增益介质模块；4：平面二极管阵列泵浦源一；5：平面二极管阵列泵浦源二；6：透镜组一；7：透镜组二；8：双色镜一；9：双色镜二；10～11：掺镱钇铝石榴石激光片；12～13：掺铬钇铝石榴石包边结构；14～15：流体动力学型叶片；16～17：密封窗口；18：冷却通道冷却剂进口；19：冷却通道冷却剂出口；20：冷却通道喷嘴区；21：冷却通道冷却区；22：冷却通道扩散区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器的结构示意图。从图1中可以看出，本发明渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，包括泵浦模块、耦合透镜模块、双色镜模块、增益介质模块,所述的增益介质模块3采用组合式薄片渐变掺杂激光增益介质，且该增益介质模块3与激光通光方向正交垂直放置；所述双色镜模块包括45度角倾斜排列的双色镜一8和双色镜二9，分别置于增益介质模块3外侧，双色镜一8和双色镜二9的内外表面都镀有对泵浦光增透膜，确保泵浦光能通过双色镜模块入射到增益介质内，双色镜一8和双色镜二9靠近增益介质模块3的内表面均镀有对种子激光的高反膜，确保种子激光不会在双色镜表面出射损失能量；所述耦合透镜模块包括平行排列的透镜组一6和透镜组二7，分别置于双色镜模块外侧，所述泵浦模块包括平行排列的平面二极管阵列泵浦源一4和平面二极管阵列泵浦源二5，分别置于耦合透镜模块外侧，经耦合透镜模块整形传输通过双色镜模块后对增益介质模块左右两侧进行泵浦。

图2和图4分别是本发明增益介质模块的结构主视图和单片增益介质的结构左视图。从图中可以看出，所述的增益介质模块3由多片镱离子渐变掺杂的掺镱钇铝石榴石激光材料10～11、掺铬钇铝石榴石包边材料12～13、流体动力学型叶片14～15和两端的密封窗口16～17组成；所述的激光材料10～11采用非线性的掺杂浓度由两端向中间逐渐升高；所述的包边材料12～13使用均匀的掺杂浓度附着在每片激光材料的四周，并与激光材料一同间隔分立的被安装在多块流体动力学型叶片14～15上；在所述的增益介质模块3的两端分别是用于密封的窗口16～17；所述的流体动力学型叶片14～15与叶片14～15、窗口16～17之间的狭缝作为冷却通道，所述的冷却通道分别设有冷却剂的进口18和出口19。

图3是本发明冷却通道的结构主视图。从图中可看出，冷却通道分为喷嘴区20、冷却区21和扩散区22，冷却剂经过前部喷嘴区20后，逐渐加速，在冷却区21内保持均匀稳定，对激光介质10～11和包边介质12～13进行冷却，最后经扩散区22减速离开增益模块3。

实施例1：

在本实例中，所述增益介质10～11采用10片口径大小为11cm×11cm，厚度为1.2cm渐变掺杂(如图4)的掺镱钇铝石榴石晶体，其前后表面均镀有对泵浦光和种子光的增透膜；所述的包边材料12～13采用宽度为3.5cm、吸收系数为0.66cm-1的掺四价铬钇铝石榴石晶体，被无胶键合在增益介质的周围，确保至少吸收99％的ASE光线，阻止寄生振荡的产生；所述的增益介质10～11和包边材料12～13一起被安装在叶片14～15上；所述的密封窗口采用蓝宝石晶体，其前后表面也镀有对泵浦光和种子光的增透膜，确保片腔内的洁净度，并维持腔内压强；所述的增益介质10～11之间的间隔，也即冷却通道内的冷却区21间隔为2mm；在激光放大器运行过程中，所述冷却通道进口18氦气的温度为175K，速度为20m/s，压强为5atm，经喷嘴区20加速后在冷却区21内对增益介质高效冷却，使增益介质的温度维持在180±1K内，最后由扩散区22减速并经出口19排出。

根据Bourdet的推导[G.L.Bourdet,"ComparisonofpulseamplificationperformancesinlongitudinallypumpedYtterbiumdopedmaterials,"opticsCommunications200,331-342(2001).]镱离子泵浦动力学方程如下：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dX}}_U(t,x,y,z)}{dt}={\mathrm{\σ}}_p\frac{I_p(t,x,y,z)}{{\mathrm{hv}}_p}(f_{L1}+f_{U2})(f_p-X_U(t,x,y,z\left)\right)-\frac{X_U(t,x,y,z)}{{\mathrm{\τ}}_U}\\ \frac{{\mathrm{dI}}_p(t,x,y,z)}{dz}=-{\mathrm{\σ}}_p{N}_{Yb}\left(z\right)(f_{L1}+f_{U2})(f_p-X_U(t,x,y,z\left)\right)I_p(t,x,y,z)\\ f_p=\frac{f_{L1}}{f_{L1}+f_{U2}},f_l=\frac{f_{L3}}{f_{L3}+f_{U1}},X_U=\frac{N_U}{N_{Yb}}\end{array}\right.\\ \⇒\left\{\begin{array}{c}{g}_0(t,x,y,z)={\mathrm{\σ}}_l{N}_{Yb}(f_{L3}+f_{U1})(X_U\left(t,x,y,z\right)-f_l)\\ E_{st}=X_U{N}_{Yb}h{v}_l\end{array}\right.\end{array}$

式中：N_U和N_Yb分别表示上能级和总的Yb粒子数密度；f_L1、f_L3、f_U1、f_U2分别是泵浦和激光跃迁子能级的玻尔兹曼因子；σ_p和σ_l分别是光谱泵浦吸收和激光发射截面；I_p为两端泵浦光总强度；hν_p和hν_l分别表示泵浦光和激光的光子能量；τ_U表示上能级的寿命；t、x、y和z分别指泵浦光脉宽和介质的长、宽和厚度；E_st为获得的储能密度。

根据镱离子泵浦动力方程可知掺镱钇铝石榴石材料中的小信号增益和储能沿厚度方向的分布与泵浦光的强度和脉宽，光谱截面，以及材料的厚度和掺杂浓度有关。本实施例采用强度为8kW/cm2，脉宽为1ms的平面二极管阵列从两端对增益模块进行泵浦，最终耦合模块将99％的泵浦能量传输到运行在180K下的增益介质中。通过上述镱离子泵浦动力方程对增益介质中的镱离子浓度进行优化，使泵浦结束时介质内的小信号增益均匀一致。考虑到ASE对储能的消耗后，获得的增益介质渐变掺杂浓度和小信号增益沿厚度优化的曲线图如图5所示。本实施例中渐变掺杂低温叠片激光放大器掺镱钇铝石榴石介质的总厚度为12cm，每片薄片介质的厚度为1.2cm，总共10片。

在本实例中，所述泵浦模块包括平行排列的平面二极管阵列泵浦源一4和平面二极管阵列泵浦源二5，均采用940nm波长的平面二极管阵列，强度为8kW/cm2，脉宽为1ms，超高斯平顶分布，具有相同的填充因子和发散角，经耦合透镜模块整形和双色镜模块传输后确保99％的泵浦能量耦合进增益介质内。

本实例中的种子激光注入1和输出2如图1所示，种子激光的波长为1030nm，通光方向垂直正交于增益介质模块。泵浦结束后，本实例渐变掺杂低温叠片放大器总储能大约为830J，如果种子光经两个串联相同的放大器四程放大后大概可提取1150J的能量，光光效率大约为29.7％。

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 (10)

1.渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：其包括增益介质模块、双色镜模块、耦合透镜模块、泵浦模块,其中：

所述的增益介质模块采用组合式薄片渐变掺杂激光增益介质，所述增益介质模块与激光通光方向正交设置；

所述的增益介质模块两侧由近及远依次设置双色镜模块、耦合透镜模块、泵浦模块；

所述双色镜模块包括双色镜一和双色镜二，所述双色镜一和双色镜二以增益介质模块为中心对称设置；

所述耦合透镜模块包括平行排列的透镜组一和透镜组二，所述透镜组一和透镜组二分别设置于双色镜一和双色镜二外侧，并以增益介质模块为中心对称设置；

所述泵浦模块包括平行排列的平面二极管阵列泵浦源一和平面二极管阵列泵浦源二，分别置于透镜组一和透镜组二外侧，并以增益介质模块为中心对称设置；

所述泵浦模块经耦合透镜模块整形传输，通过双色镜模块后对增益介质模块左右两侧进行泵浦。

2.根据权利要求1所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述双色镜一和双色镜二以45度角度倾斜排列。

3.根据权利要求1所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述的增益介质模块由增益单元和叶片单元组成，其中：

所述的增益单元包括多片增益介质，所述多片增益介质由密封窗口密封；

所述多片增益介质间隔分立的被安装在多块流体动力学型叶片上，所述的流体动力学型叶片与叶片之间形成冷却通道，所述的冷却通道分别设有冷却剂的进口和出口。

4.根据权利要求3所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述冷却剂为低温高压氦气，温度范围为90～320K，压强范围为0～15atm。

5.根据权利要求3所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述冷却通道分为喷嘴区、冷却区和扩散区，冷却剂经过前部喷嘴区后，逐渐加速，在冷却区内保持均匀稳定，对增益介质进行冷却，最后经扩散区减速离开增益模块。

6.根据权利要求3所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述增益介质采用镱离子渐变掺杂的掺镱钇铝石榴石晶体或陶瓷激光片，并相应地由掺铬钇铝石榴石晶体或陶瓷包边材料进行包边，所述的掺镱钇铝石榴石激光片采用非线性的掺杂浓度由两端向中间逐渐升高；所述的包边材料使用均匀或变化的掺杂浓度附着在每片激光片的四周。

7.根据权利要求3所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述掺镱钇铝石榴石材料口径、片数根据热管理需求和输出能量决定，其镱离子浓度由准三能级离子泵浦动力学优化计算确定，以使每片增益介质内获得相同的小信号增益，吸收的泵浦能量以及生成热能也均匀分布。

8.根据权利要求3所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述每片增益介质厚度、宽度、铬离子的浓度根据热管理和寄生振荡的抑制条件优化确定，使包边材料对ASE光线的吸收超过99％，并且包边与增益介质内的热分布均匀。

9.根据权利要求1所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述的双色镜模块中双色镜一和双色镜二的两面分别都镀有泵浦光增透膜；靠近所述增益介质模块的内侧面还镀有针对种子激光的高反膜。

10.根据权利要求1所述的渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器，其特征在于：所述的泵浦模块中平面二极管阵列泵浦源一和平面二极管阵列泵浦源二经耦合透镜模块和双色镜模块后泵浦光为完美的超高斯平顶光束，光束强度、填充因子和发散角相同。