CN107112709B - 激光放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明所涉及的激光放大装置中的激光介质单元(10)具备多个激光介质(14)。在激光介质单元(10)的周围设置冷却介质流路(F1)，从外侧冷却激光介质单元(10)。在激光介质(14)之间的密闭空间内填充气体或者液体，通过所涉及的密闭空间内的激光因为不会被在外侧进行流动的冷却介质干涉，所以被放大的激光的晃动等被抑制并且激光的稳定性和聚焦特性等的质量提高。
Description
技术领域
本发明涉及大功率激光放大装置。
背景技术
近年来，面向使用大型激光器的新产业开发而盛行基础科学或材料开发、医疗应用等的研究开发。为了获得大功率激光而放大所输入的种子光的激光放大装置成为了必要。激光放大装置具备激光介质单元、使激发光入射到激光介质单元内的激发光源，通过以接触于激光介质单元内的激光介质的主表面的形式使冷却介质流动从而对其实行冷却(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开2009-49439号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，虽然激光介质有冷却的必要，但是因为被放大了的激光透过在主表面上流动的冷却介质内，所以激光的稳定性和聚焦特性的质量由于冷却介质的流速等而会发生劣化。
本发明就是借鉴了这样的技术问题而做出的不懈努力之结果，其目的在于提供一种高质量地放大激光为可能的激光放大装置。
解决技术问题的手段
为了解决以上所述技术问题，本发明的第1激光放大装置的特征在于：具备激光介质单元、使激发光入射到所述激光介质单元内的激发光源、被配置于所述激光介质单元周围的冷却介质流路，在放大并输出被输入到所述激光介质单元内的激光的激光放大装置中，所述激光介质单元具备板状第1激光介质、板状第2激光介质、被配置于所述第1激光介质与所述第2激光介质之间的密封材料，所述第1激光介质和所述第2激光介质沿着这些介质的厚度方向排列而配置，所述第1激光介质与所述第2激光介质之间的空间为密闭空间，并处于减压环境下或者填充有气体。
根据该装置，通过使激发光入射到激光介质，从而在激光介质发生激发并且使作为种子光的激光入射后，被放大的激光从激光介质被输出。另外，在有多个激光介质的情况下倍增率也变高。
在此，冷却介质流路是被设置于激光介质单元的周围，并且是从外侧冷却激光介质单元。然后，第1激光介质与第2激光介质之间的空间为密闭空间并处于真空等减压环境下，或者填充有气体。因此，通过其空间内的激光因为不会被在激光介质的主表面上进行流动的冷却介质干涉，所以被放大的激光的晃动等被抑制并且激光的稳定性和聚焦特性等的质量提高。
另外，在气体被填充于上述空间内的情况下，比固体占据的情况好的优点在于由菲涅尔反射引起的能量损耗的减轻或能够抑制波阵面失真的发生。
关于第2激光放大装置，所述第1激光介质以及所述第2激光介质的材料的特征为：分别是陶瓷激光介质。
作为激光介质而使用热导率低的玻璃也是可能的，但是对于以高重复频率输出高脉冲能量的激光来说从冷却性能的观点出发优选激光介质的热导率要相对高一点。陶瓷激光介质众所周知其热导率高于玻璃等，并且能够以高重复频率输出高脉冲能量的激光。
陶瓷激光介质例如能够使用作为掺杂物的稀土金属特别是含有选自Nd、Yb、Er、Ce、Cr、Cr:Nd以及Tm当中至少1种以上的掺杂物的YAG。另外，作为陶瓷激光介质能够使用作为掺杂物的含有上述稀土金属的氧化钇(Y2O3)。另外，也能够使用YAG(Y3Al5O12)、Lu2O3和Sc2O3等。
还有，如此透明陶瓷结晶其由现有的制造方法制得的激光介质的厚度的上限值为10mm左右，根据本装置，因为使用了多个激光介质所以能够提高最终被输出的激光的放大率。
关于第3激光放大装置，所述激光介质单元具备被相对配置的一对凸缘(法兰)、连接所述凸缘之间并且能够调整所述凸缘之间的距离的3根以上支柱，所述第1激光介质以及所述第2激光介质的排列方向在所述支柱的长边方向上为一致，通过调整所述凸缘之间的距离从而就能够调整所述密封材料所承受的压力。
因为3根以上支柱介于凸缘之间，所以凸缘的主表面位置唯一地由支柱位置来决定。在第1激光介质与第2激光介质之间介有用于保持密闭状态的密封材料，但是在凭借这些介质的对密封材料的压力为适当的情况下密闭状态被充分保持。因为凸缘之间的长度能够被调整，所以能够将被施加于激光介质之间的密封材料的压力设定在所希望的值，并且能够充分保持密闭状态。
第4激光放大装置的特征在于：具备激光介质单元、使激发光入射到所述激光介质单元内的激发光源、被配置于所述激光介质单元周围的冷却介质流路，在放大并输出被输入到所述激光介质单元内的激光的激光放大装置中所述激光介质单元具备板状的第1激光介质、板状的第2激光介质、被配置于所述第1激光介质与所述第2激光介质之间的密封材料，所述第1激光介质和所述第2激光介质沿着这些介质的厚度方向排列而配置，所述第1激光介质与所述第2激光介质之间的空间为密闭空间，并且填充有重水或者氟系惰性液体。在重水或者氟系惰性液体等被填充于上述空间内的情况下，比固体占据的情况好的优点在于由菲涅尔反射引起的能量损耗的减轻或波阵面失真的发生能够被抑制。
发明效果
根据本发明的激光放大装置，能够高质量地放大激光。
附图说明
图1是激光介质单元的正面图。
图2是激光介质单元的A-A箭头截面图。
图3是激光介质单元的B-B箭头截面图。
图4是激光放大装置的正面图。
图5是激光放大装置的C-C箭头截面图。
图6是将辅助要素设置于密封材料(O型圈)近旁的情况下的激光介质单元的A-A箭头截面图。
具体实施方式
以下是就本发明所涉及的激光放大装置进行详细说明。还有，在图面的说明过程中将相同符号标注于相同要素，并省略重复的说明。
图1是激光介质单元的正面图。还有，在该图中XYZ表示三维直角坐标系。被放大的成为种子光的激光的行进方向为Y轴方向，将垂直于Y轴的2个方向分别设定为X轴方向以及Z轴方向。
本实施方式所涉及的激光放大装置具备种子光进行入射的激光介质单元10。激光介质单元10为包含多枚平板状的激光介质的柱状单元。这些激光介质薄板沿着种子光的行进方向(Y轴的正方向)被层叠并进行排列。激发光EX从激光介质单元10的外侧被照射到激光介质内。多个激发光EX从多个光源向各个激光介质的中央部照射。根据激发光EX的照射，从激光介质的外周面向内部入射激发光，并且激光介质被激发，如果种子光被照射到被激发的状态的激光介质的话则激光被放大。例如，在使用由添加了Yb(镱)的YAG构成的激光介质的情况下，种子光以及来自激光介质的自然出射光的波长λ1为1030nm，激发光的波长λ2为940nm(λ1＞λ2)。激光介质内的Yb的添加浓度适宜被设定为0.15质量％～0.25质量％。
图2是图1所表示的激光介质单元的A-A箭头截面图，图3是激光介质单元的B-B箭头截面图。
激光介质单元10具备被相对配置的一对金属制的凸缘11、连接凸缘11之间并能够调整凸缘11之间距离的多个支柱12。在图1中表示了4根支柱12，但是如果支柱12的数量为3根以上的话则能够容易固定凸缘11的主表面(XZ面)的位置。即，因为平面由3点就可被决定，所以通过使3根以上的支柱介于凸缘11之间从而凸缘11的主表面位置就唯一地被支柱位置决定。
在支柱12的两端设置螺钉部。凸缘11构成具有开口OP的圆环，在一方凸缘11上设置支柱12的螺钉部所贯通的开口(贯通孔)，在进行相对的另一方凸缘11上设置为了固定支柱12螺钉部的螺孔，支柱12的螺钉部螺合于凸缘11的螺孔。具备螺合于贯通一方的凸缘11的支柱12的螺钉部的螺母13并且如果使螺母13旋转的话，螺母13在Y轴方向上推挤一方凸缘11，从而一对凸缘11之间的距离变短。
在一对凸缘11之间层叠配置多枚激光介质薄板。即，平板状的激光介质14以圆板状沿着Y轴方向被配置多枚。在进行邻接的激光介质14之间介有密封材料15。在Y轴方向的两端位置取代激光介质14而配置由石英玻璃等构成的窗口材料16，在激光介质14与窗口材料16之间也介有密封材料15。密封材料15的形状为圆环状，其材料如果是能够保持激光介质14之间的空间的密闭状态的材料的话则没有特别的限定，能够采用硅酮制的O型圈等。作为密封材料15还能够使用树脂、橡胶、玻璃、陶瓷、或者Cu和Al等金属等，也可以交替重叠激光介质14和密封材料15并在Y轴方向上施加压力从而将密封材料15压合于激光介质14的表面上。也可以用焊料或粘结剂来进行粘合。
激光介质14的材料全部是陶瓷激光介质。作为激光介质使用热导率低的玻璃也是可能，但是对于以高重复频率输出高脉冲能量的激光来说从冷却性能的观点出发，优选激光介质的热导率较高。陶瓷激光介质众所周知具有与单晶相同等的性质，热导率高于玻璃，并且能够以高重复频率输出高脉冲能量的激光。
陶瓷激光介质例如能够使用作为掺杂物的稀土金属特别是含有选自Nd、Yb、Er、Ce、Cr、Cr:Nd以及Tm当中至少1种以上的掺杂物的YAG。另外，作为陶瓷激光介质能够使用作为掺杂物的含有上述稀土金属的氧化钇(Y2O3)。另外，也能够使用YAG(Y3Al5O12)、Lu2O3和Sc2O3等。
还有，如此透明陶瓷结晶其由现有的制造方法制得的激光介质的厚度的上限值为10mm左右，但是使用10mm以上的陶瓷激光介质也是可能的。另外，在陶瓷激光介质的厚度为1mm以上20mm以下的情况下，本发明的构造能够在刚性和冷却性能以及激光的质量上发挥出特别优异的效果。于是，如果由本装置的话则因为使用了多个激光介质，所以能够提高最终被输出的激光的放大率。
如图1～图3所示，沿着垂直于激光介质单元10的Y轴的直径方向激发光EX从多个方向被照射于激光介质14。各个激光介质14由激发光EX而被激发。作为种子光的激光LB沿着Y轴通过一方的窗口材料16入射到垂直于激光介质主表面(XZ面)的激光介质群内，透过这些激光介质14并被放大，从而从另一方的窗口材料16输出。
还有，如果将邻接的激光介质14作为平板状的第1激光介质以及平板状的第2激光介质，则这些激光介质14的排列方向与支柱12的长边方向(Y轴)相一致，通过调整凸缘11之间的距离从而就能够调整密封材料15所承受的压力。在第1激光介质与第2激光介质之间介有用于保持密闭状态的密封材料15，但是在凭借这些激光介质的对密封材料15的压力为适当的情况下密闭状态被充分保持。因为凸缘11之间的长度能够被调整，所以能够将被施加于激光介质之间密封材料15的压力设定在所希望的值，并且能够充分保持在激光介质之间的空间中的密闭状态。
即，在第1激光介质与第2激光介质之间配置密封材料15，第1激光介质和第2激光介质沿着这些激光介质的厚度方向排列而配置，第1激光介质与第2激光介质之间的空间为密闭空间，并处于减压环境下(小于1大气压，包括真空)或者填充有气体[惰性气体(空气、N2，CO2)、稀有气体(Ar、He)、重水或者氟系惰性液体等]。还有，在气体被填充于上述空间的情况下，比固体占据于该空间内的情况好的优点在于由菲涅尔反射引起的能量损耗的减轻或波阵面失真的发生能够被抑制。还有，在重水或者氟系惰性液体等被填充于上述空间内的情况下，比固体占据于该空间内的情况好的优点在于由菲涅尔反射引起的能量损耗的减轻或波阵面失真的发生能够被抑制。作为氟系惰性液体可以使用3M日本株式会社的FluorinertTM(氟系惰性液体)等，作为进行填充的液体除了氟系惰性液体之外也可以使用水、折射率匹配液以及油等。
根据该装置，通过使激发光EX入射到激光介质14从而激光介质14被激发，如果使作为种子光的激光LB入射，则被放大了的激光LB通过激光介质14从窗口材料16输出。因为有多个激光介质14所以倍增率也变高。
在此，冷却介质流路F1被设置于激光介质单元10的周围，从外侧冷却激光介质单元。于是，第1激光介质与第2激光介质之间的空间为密闭空间并且处于真空等的减压环境下，或者填充有气体。因此，通过该空间的激光LB因为如现有的那样不会被在激光介质14的主表面上进行流动的冷却介质干涉，所以被放大的激光LB的晃动等被抑制并且激光的稳定性和聚焦特性等的质量提高。
另外，如图1以及图3所示在凸缘11上设置在Y轴方向贯通其的孔11b。没有图示的管子连通到孔11b的外侧，从孔11b供给接触于激光介质单元10外表面上的冷却介质，并且被排出。从一方的凸缘11的孔11b被导入的冷却介质一边接触于激光介质14的围绕Y轴的周围的面一边如图3所表示的虚线箭头F1那样沿着Y轴方向进行流动，并从另一方凸缘11的孔11b排出。
还有，冷却介质流路F1被形成于激光介质单元10与包围其的筒体之间。如此筒体从激光介质单元10来看既可以被设置于激发光源的外侧(图5的筒体24)，除此之外也可以被设置于激光介质单元10与激发光源之间(图5的透明筒体30)。在将为了划分出冷却介质流路F1的筒体配置于激光介质单元10与激发光源之间的情况下(图5的透明筒体30)，透明筒体30是由透过激发光的透明材料例如石英玻璃构成。
图4是激光放大装置的正面图，图5是激光放大装置的C-C箭头截面图。
激光放大装置具备所述激光介质单元10、使激发光入射到激光介质单元10内的多个激发光源21、被配置于激光介质单元10周围的冷却介质流路F1(参照图5)。
激光放大装置放大从半导体激光元件等的种子光源被入射到激光介质单元10内的激光LB并进行输出。在激光介质单元10的周围对应于必要配置以上所述的透明筒体30，并构成冷却介质流路。从激发光源21输出以上所述的激发光。激发光源21的数量在附图中表示有12个，但是这个数量既可以12个以上也可以12个以下。
激发光源21被固定于设置于激光介质单元10外侧的一对大致圆环状的金属制的支撑构件22。还有，激发光源21的电极部与支撑构件22被绝缘。支撑构件22具有凸缘状的唇部，在唇部上固定有圆环状的绝缘体23。在绝缘体23上固定有多个端子25，电力从端子25经由配线W被提供给激发光源21。多个激发光源21既可以被串联连接又可以被并联连接。支撑构件22具有在Y轴方向上贯通其的孔22b。在一方的支撑构件22的孔22b中连通没有图示的管子，冷却介质被导入到第2冷却介质流路F2内，在另一方支撑构件22的孔22b中也连通没有图示的管子，并排出冷却介质。在激发光源21与框体24之间也可以以来自激发光源21的激发光效率良好地被传达到激光介质单元的形式设置反射材料[反光片(reflector)]RF。
具有圆形开口的支撑构件22的内侧的圆筒面被固定于激光介质单元10的凸缘11的外周面。一对支撑构件22被筒体24连接，在筒体24的内面与激发光源21之间形成有第2冷却介质流路F2。还有，具有圆形开口的支撑构件22的底面被固定于支撑台26上。
还有，图2所表示的密封材料15的结构并不限定于以上所述的结构。
图6是将辅助要素设置于密封材料(O型圈)近旁的情况下的激光介质单元的A-A箭头截面图。在密封材料15的直径方向上辅助要素15a被配置于两端，其作用是辅助凭借密封材料15的密封。作为辅助要素15a除了树脂等粘结材料之外能够使用刚性高于硅酮制的O型圈的垫圈。如此垫圈能够采用以同心圆状被配置于Y轴周围的2个圆环状垫圈，在圆环状垫圈之间能够配置作为密封材料15的O型圈。作为垫圈材料除了Cu和Al等金属之外使用玻璃材料和陶瓷也是可能的。
试制以上所述的激光介质单元。
在该装置中，由Nd；YAG构成的各个激光介质的直径为100mm；厚度为10mm；数量为10枚；在激光介质之间的密闭空间内填充重水。作为种子光是使用波长为1064nm的激光，作为激发光源是使用12支闪光灯。在该情况下，通过层叠陶瓷激光介质从而如大型激光棒那样行使其功能，因为是被密闭的一体结构并且因为冷却介质没有横穿过激光的传输路径，所以能够抑制由冷却介质引起的激光的特性劣化。支柱12的直径为2mm。另外，全体尺寸为30cm左右，虽然是非常小型的但是能够获得50焦耳以上的激光输出。
还有，在上述窗口材料的主表面(XZ面)的光入射面上也可以设置相对于种子光的反射防止膜。由此，种子光能够容易入射到前段的窗口材料，并且能够从后段的窗口材料容易地出射。也可以对这些主面实行反射防止膜以外的反射防止处理。同样，在激光介质的光入射面上也可以设置相对于种子光的反射防止膜。也可以对这些主面实行反射防止膜以外的反射防止处理。反射防止膜或者反射防止处理不仅仅是各个光透过要素的光入射面，也可以被设于光出射面。作为反射防止膜例如能够使用多层电介质膜。作为多层电解质膜众所周知有氧化钛与氧化硅的层叠物。也能够适用激光介质和折射率同等的折射率匹配液。还有，在稀有气体被封入到激光介质之间的密闭空间内的情况下，能够抑制由稀有气体引起的激光介质的劣化。
另外，因为抑制了由自然出射光引起的寄生振荡，所以也可以用覆层(clad)材料来包围以上所述的激光介质的周围。作为吸收自然出射光(1064nm)的覆层材料有添加了钐(samarium)的材料、添加了铬的材料、添加了铜的材料等。具体地来说有添加了钐的YAG、添加了钐的玻璃、添加了铬的YAG、添加了铬的玻璃、添加了铜的YAG、添加了铜的玻璃等。为了将这些覆层材料固定于激光介质而要实行粘结或者接合。在粘结的情况下，粘结剂介于这些覆层材料之间。在使用粘结剂的情况下，能够使用树脂制折射率匹配粘结剂和玻璃制折射率匹配粘结剂等粘结剂。在不使用粘结剂的情况下能够使用热扩散接合、光学接触(optical contact)、离子溅射接合等接合，在激光介质元件的外表面以及覆层材料是由陶瓷构成的情况下是使用陶瓷烧结接合，从而就能够固定这些覆层材料。还有，相对于激发光(808nm)的反射防止膜的材料和粘结方法也与相对于种子光或者自然出射光的反射防止膜的材料和粘结方法相同。
另外，激光介质也可以以进行邻接并相对的主表面彼此不成为平行的形式主表面从相对于Y轴为垂直的面进行倾斜。由此，就能够减少起因于由主表面产生的不要的反射的寄生振荡。即，各个激光介质如果是板状的则没有必要是平行平板，且表面多少可以有点倾斜。另外，作为以上所述的冷却介质能够使用液体或者气体。作为液体能够使用水，作为气体能够使用氦气等，如果是具有冷却性能的物质的话则不限定于所述的这些。
符号说明
14.激光介质
12.支柱
15.密封材料
11.凸缘
Claims (4)
1.一种激光放大装置，其特征在于，
具备：
激光介质单元；
使激发光入射到所述激光介质单元内的激发光源；以及
配置于所述激光介质单元的周围、从外侧冷却所述激光介质单元的冷却介质流路，
所述激光放大装置放大并输出被输入到所述激光介质单元内的激光，
所述激光介质单元具备：
板状的第1激光介质；
板状的第2激光介质；以及
配置于所述第1激光介质与所述第2激光介质之间的密封材料，
所述第1激光介质和所述第2激光介质沿其厚度方向排列而配置，
所述第1激光介质与所述第2激光介质之间的空间为密闭空间，并处于减压环境下或者填充有气体。
2.如权利要求1所述的激光放大装置，其特征在于，
所述第1激光介质以及所述第2激光介质的材料分别是陶瓷激光介质。
3.如权利要求1或者2所述的激光放大装置，其特征在于，
所述激光介质单元具备：
相对配置的一对凸缘；以及
将所述凸缘之间连接并且能够调整所述凸缘之间的距离的3根以上的支柱，
所述第1激光介质以及所述第2激光介质的排列方向与所述支柱的长边方向一致，
通过调整所述凸缘之间的距离从而能够调整所述密封材料所承受的压力。
4.一种激光放大装置，其特征在于，
具备：
激光介质单元；
使激发光入射到所述激光介质单元内的激发光源；以及
配置于所述激光介质单元的周围、从外侧冷却所述激光介质单元的冷却介质流路，
所述激光放大装置放大并输出被输入到所述激光介质单元内的激光，
所述激光介质单元具备：
板状的第1激光介质；
板状的第2激光介质；以及
配置于所述第1激光介质与所述第2激光介质之间的密封材料，
所述第1激光介质和所述第2激光介质沿其厚度方向排列而配置，
所述第1激光介质与所述第2激光介质之间的空间为密闭空间，并且填充有重水或者氟系惰性液体。
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