CN105375326A - 一种抑制放大自发辐射的片状激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制放大自发辐射的片状激光放大器，包括增益介质，所述增益介质至少为2片，所述增益介质位于同一平面内，所述增益介质之间固定有间隔层，所述间隔层材质与增益介质材质不同，该激光放大器有效地抑制高增益、大尺寸片状增益介质中放大自发辐射和寄生振荡对效率的影响，使介质中的增益能力达到理论水平，满足高能高功率激光器定标放大和运行的需求。

Description

一种抑制放大自发辐射的片状激光放大器

技术领域

本发明涉及高重复频率、高能高功率激光放大器技术领域，具体而言，涉及一种抑制放大自发辐射的片状激光放大器。

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。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。但是，这些装置主要基于传统的氙灯泵浦片状钕玻璃，能量转换效率极低(约为0.5％)，且基本都是单发运行，满足不了IFE对驱动器高效重复频率运行的需求(重复频率在10Hz时大于10％)。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)仍然是影响效率的一个关键因素，尤其对于大口径聚变级激光驱动器，这种消极的效应特别严重。因此，研究新型的增益介质，采用有效ASE抑制技术，是发展重频、高能高功率激光技术的核心。

当增益介质存在激发态粒子时，ASE是一个不可避免的过程，主要来源于自发辐射的荧光在处于“激活状态”的增益介质中的传输放大。ASE会消耗激光上能级的粒子数，降低储能效率，并破坏储能均匀性，影响光束质量。控制介质的增益系数g₀和尺寸l的积是控制ASE的关键。目前，在设计放大器时，为了有效抑制ASE，一般将增益长度积g₀l控制在3以内，并且采用包边技术以进一步阻止寄生振荡的产生。对于聚变级驱动器，需要兆焦耳量级的能量，为了控制系统的复杂度，需要控制光束的总量，尽可能提高单束激光的能量输出。扩大增益介质的口径或增加介质的总厚度是定标放大激光放大器的两种方法。然而，随着口径的扩大，增益长度积g₀l也将随之增加，这将导致ASE效应更加严重。另外，如果增加增益介质的总体厚度将会导致严重的非线性效应，降低光束质量，甚至损坏光学元件，同时也对二极管阵列提出了更高的要求，可能会减少泵浦耦合效率。

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放大自发辐射的片状激光放大器，该激光放大器有效地抑制高增益、大尺寸片状增益介质中放大自发辐射和寄生振荡对效率的影响，使介质中的增益能力达到理论水平，满足高能高功率激光器定标放大和运行的需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种抑制放大自发辐射的片状激光放大器，包括增益介质，所述增益介质至少为2片，所述增益介质位于同一平面内，所述增益介质之间固定有间隔层，所述间隔层材质与增益介质材质不同。

进一步，所述增益介质和间隔层的外侧设有包边。

进一步，所述增益介质为掺杂激光材料。掺杂激光材料是指能够应用于激光器技术领域的掺杂材料。

进一步，所述增益介质沿纵向为均匀的或渐变的掺杂激光材料。

进一步，所述掺杂激光材料为掺杂激光晶体、掺杂激光玻璃或掺杂激光陶瓷。

进一步，所述间隔层为掺杂激光材料，所述间隔层与所述增益介质的基体相同，掺杂元素不同。

进一步，所述包边为掺杂激光材料，所述包边与所述间隔层的基体相同，掺杂元素相同。

进一步，所述增益介质为掺镱钇铝石榴石晶体、掺镱钇铝石榴石陶瓷或掺钕磷酸盐玻璃，所述间隔层为掺铬钇铝石榴石晶体、掺铬钇铝石榴石陶瓷或掺氧化铜的磷酸盐玻璃。

进一步，所述片状激光放大器还包括耦合透镜组，所述耦合透镜组平行于所述增益介质。

进一步，所述片状激光放大器还包括面阵二极管泵浦源，所述面阵二极管泵浦源与所述增益介质平行，所述耦合透镜组位于增益介质和面阵二极管泵浦源之间。

本发明的有益效果如下：

1、将多块激光增益介质键合或烧结为一块，并且采用间隔层，使每个增益区域内的增益长度积g₀l控制在3以内，有效地抑制放大自发辐射；

2、包边和间隔层采用与激光增益介质相同的基质材料，其折射率可以和激光增益介质精确匹配，保证放大自发辐射的完全吸收，避免寄生振荡的形成；

3、通过优化包边和间隔层中的掺杂浓度、吸收系数和宽度可使介质中的热沉积更加均匀，有利于介质长时间稳定运行；

4、本发明结合激光陶瓷或玻璃技术，简化工艺，适合批量生产，保证产品的一致性。

附图说明

图1为本发明的增益介质、间隔层和包边连接结构示意图；

图2为本发明的激光放大器整体结构示意图。

图中：1—增益介质，2—间隔层，3—包边，4—面阵二极管泵浦源，5—耦合透镜组，6—双色镜，7—冷却热沉，8—冷却热沉。

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和图2所示，一种抑制放大自发辐射的片状激光放大器，包括增益介质1、耦合透镜组5、面阵二极管泵浦源4、双色镜6、冷却热沉7、冷却热沉8和种子光源(图中未示出)，由于种子光源和冷却热沉为激光放大器中通用技术或元件，所以在此不再详述。所述增益介质1至少为2片，所述增益介质1位于同一平面内，所述增益介质1之间固定有间隔层2，所述间隔层2材质与增益介质1材质不同，所述增益介质1为掺杂激光材料，所述间隔层2也为掺杂激光材料，所述间隔层2与所述增益介质1的基体相同，掺杂元素不同，所述增益介质1和间隔层2的外侧设有包边3，所述包边3为掺杂激光材料，所述包边3与所述间隔层2的基体相同，掺杂元素相同。包边3和间隔层2采用与激光增益介质1相同的基质材料，其折射率可以和激光增益介质1精确匹配，保证放大自发辐射的完全吸收，避免寄生振荡的形成。所述增益介质1沿纵向为均匀的或渐变的掺杂激光材料。通过优化包边3和间隔层2中的掺杂浓度、吸收系数和宽度可使增益介质1中的热沉积更加均匀，有利于增益介质1长时间稳定运行。面阵二极管泵浦源4、耦合透镜组5、双色镜6和增益介质1依次排列，所述耦合透镜组5平行于所述增益介质1，所述面阵二极管泵浦源4与所述增益介质1平行，所述双色镜6与增益介质1的夹角为45°。

所述掺杂激光材料为掺杂激光晶体、掺杂激光玻璃或掺杂激光陶瓷。优选地，所述增益介质1为掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)晶体、掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)陶瓷或掺钕磷酸盐玻璃(Nd:Glass)；所述包边3与间隔层2相应为掺铬钇铝石榴石(Cr⁴⁺:YAG)晶体、掺铬钇铝石榴石(Cr⁴⁺:YAG)陶瓷或掺氧化铜的磷酸盐玻璃，并与增益介质1无胶键合或共烧结为一体。本实施例中增益介质1优选为掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)晶体，包边3与间隔层2相应为掺铬钇铝石榴石(Cr⁴⁺:YAG)晶体。

所述增益介质1的口径，间隔层2的宽度和吸收系数由输出能量的需求决定，包边3和间隔层2中掺杂浓度由吸收方程优化确定，以完全截断放大自发辐射的传输路径，吸收放大自发辐射，并使增益介质1中的热分布近似均匀。

镱离子泵浦动力学方程如下：

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

式中：N_U表示上能级Yb粒子数密度；N_Yb表示总的Yb粒子数密度；f_L1、f_L3分别是泵浦子能级的玻尔兹曼因子；f_U1、f_U2分别是激光跃迁子能级的玻尔兹曼因子；σ_p是光谱泵浦吸收截面；σ_l是激光发射截面；I_p为两端泵浦光总强度；hν_p表示泵浦光的光子能量；hν_l表示激光的光子能量；τ_U表示上能级的寿命；t指泵浦光脉宽；x、y和z分别指介质的长、宽和厚度；g₀为获得的小信号增益系数；E_st为储能密度。

铬离子饱和吸收方程如下：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dN}}_1(t,x,y,z)}{dt}=-N_1{\mathrm{\σ}}_{gs}{\mathrm{cE}}_l(t,x,y,z)/{\mathrm{hv}}_l+N_3/{\mathrm{\τ}}_g\\ \frac{{\mathrm{dN}}_3(t,x,y,z)}{dt}=N_1{\mathrm{\σ}}_{gs}{\mathrm{cE}}_l(t,x,y,z)/{\mathrm{hv}}_l-N_3/{\mathrm{\τ}}_g-N_3{\mathrm{\σ}}_{es}{\mathrm{cE}}_l(t,x,y,z)/{\mathrm{h\ν}}_l+(N_0-N_1-N_3)/{\mathrm{\τ}}_e\\ N_0=-\frac{\ln \left(T_0\right)}{{\mathrm{\σ}}_{gs}d}\end{array}\right.\\ \⇒{\mathrm{\α}}_{Cr}(t,x,y,z)=N_1(t,x,y,z){\mathrm{\σ}}_{gs}+N_3(t,x,y,z){\mathrm{\σ}}_{es}\end{array}$

式中，N₀表示基态能级的Cr⁴⁺粒子数密度；N₁表示激发态能级的Cr⁴⁺粒子数密度；N₃表示总的Cr⁴⁺粒子数密度；σ_gs是基态对激光的吸收截面；σ_es是激发态对激光的吸收截面；τ_g表示激发态的寿命；τ_e表示更高激发态的寿命；c为光速；d是Cr⁴⁺:YAG的纵向厚度；T₀是Cr⁴⁺:YAG对激光的小信号透过率；α_Cr为Cr⁴⁺:YAG吸收系数；E_l为泵浦过程中产生的自发辐射或放大自发辐射光子的能量，经路径dl的Yb:YAG放大和Cr⁴⁺:YAG吸收后能量变化为dEl＝El(g₀-Cr)dl。

根据激光输出能量和通量，确定所需的泵浦强度和增益介质口径大小，然后由镱离子泵浦动力学方程优化增益介质的掺Yb离子浓度和厚度，使获得的增益区内最大小信号增益系数与长度积g₀l为3。最后，根据铬离子饱和吸收方程、光线追迹和蒙特卡洛方法，追踪增益区内产生的自发辐射光线，优化Cr⁴⁺:YAG的吸收系数和宽度使这些光线的能量经Cr⁴⁺:YAG吸收后减少为零。

在本实例中，增益介质1拼接后的总口径大小为11cm×11cm，厚度为1.1cm，掺Yb³⁺离子浓度为0.179at.％的Yb:YAG晶体，其前后表面均镀有对泵浦光的增透膜；间隔层2采用宽度为4cm、吸收系数为2.09cm^-1的Cr⁴⁺:YAG晶体，交叉的无胶键合在激光增益介质1的中间，将4块小口径的增益介质1拼接为一块；包边3采用宽度为3cm、吸收系数为0.77cm^-1的Cr⁴⁺:YAG晶体，键合在增益介质和间隔层的周围，确保完全吸收放大自发辐射光线，阻止寄生振荡的产生；增益介质1、间隔层2和包边3通过冷却装置将温度维持在180K处。将多块激光增益介质1拼接为一块，并且采用间隔层2，使每个增益区域内的增益长度积g₀l控制在3以内，有效地抑制放大自发辐射。

在本实例中，所述面阵二极管泵浦源4，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，仅泵浦增益介质1而避开包边3和间隔层2，经耦合透镜组5整形传输后99％的泵浦能量耦合进入增益介质1内。

泵浦结束后，本实例的片状激光放大器中储能约为110J，如果不采用间隔层2时储能只有92J，均匀性也较差；相比较而言，利用间隔层2，片状Yb:YAG增益介质1中储能效率提高了19.57％，同时在高增益、大尺寸激光介质中也能更好的抑制放大自发辐射。

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)

1.一种抑制放大自发辐射的片状激光放大器，包括增益介质，其特征在于，所述增益介质至少为2片，所述增益介质位于同一平面内，所述增益介质之间固定有间隔层，所述间隔层材质与增益介质材质不同。

2.根据权利要求1所述的片状激光放大器，其特征在于，所述增益介质和间隔层的外侧设有包边。

3.根据权利要求2所述的片状激光放大器，其特征在于，所述增益介质为掺杂激光材料。

4.根据权利要求3所述的片状激光放大器，其特征在于，所述增益介质沿纵向为均匀的或渐变的掺杂激光材料。

5.根据权利要求4所述的片状激光放大器，其特征在于，所述掺杂激光材料为掺杂激光晶体、掺杂激光玻璃或掺杂激光陶瓷。

6.根据权利要求1-5任一所述的片状激光放大器，其特征在于，所述间隔层为掺杂激光材料，所述间隔层与所述增益介质的基体相同，掺杂元素不同。

7.根据权利要求6所述的片状激光放大器，其特征在于，所述包边为掺杂激光材料，所述包边与所述间隔层的基体相同，掺杂元素相同。

8.根据权利要求7所述的片状激光放大器，其特征在于，所述增益介质为掺镱钇铝石榴石晶体、掺镱钇铝石榴石陶瓷或掺钕磷酸盐玻璃，所述间隔层为掺铬钇铝石榴石晶体、掺铬钇铝石榴石陶瓷或掺氧化铜的磷酸盐玻璃。

9.根据权利要求1所述的片状激光放大器，其特征在于，所述片状激光放大器还包括耦合透镜组，所述耦合透镜组平行于所述增益介质。

10.根据权利要求1或9所述的片状激光放大器，其特征在于，所述片状激光放大器还包括面阵二极管泵浦源，所述面阵二极管泵浦源与所述增益介质平行，所述耦合透镜组位于增益介质和面阵二极管泵浦源之间。