CN109361137B - 激光增益组件及激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种激光增益组件及激光器,包括泵浦源以及在所述泵浦源的作用下提高激光光束能量的增益管，所述增益管内具有第一流体通道,增益管包括增益直管和分别设置于所述增益直管两端的两个管状端帽，第一流体通道贯穿所述增益直管和两个所述管状端帽，且所述管状端帽呈凸台状，所述增益直管的外侧包裹有第一密封管，所述第一密封管与所述增益直管之间相互分离以形成第二流体通道；所述第一流体通道及所述第二流体通道用于通过冷却介质，以使所述增益直管外侧与所述增益直管内侧的温度趋于一致。通过上述设置，以在采用上述激光增益组件及激光器进行传输激光时，可有效提高激光光束质量和能量，并能够大幅提高增益管的储能能力。

Description

激光增益组件及激光器
技术领域
本申请涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种激光增益组件及激光器。
背景技术
高功率激光器在国防、工业、科研等领域具有广泛应用。激光增益组件是高平均功率固体激光器的核心单元,性能优异的激光增益组件是实现高效、高激光光束质量的保证。
现有技术中，常用的激光增益组件包括增益介质构成的板条，在这种增益组件中，激光以“之”字型光路在板条中传输。发明人经研究发现，由于板条热量不均匀，且在板条的边缘处，由于板条边缘的温度与非边缘处不一致，就比较容易产生边缘效应，也就是在板条边缘处，激光光束波前与中心处不一致，这会影响最终输出的激光光束质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光增益组件及激光器，以有效缓解上述技术问题。
本发明提供的一种激光增益组件，包括泵浦源以及在所述泵浦源的作用下提高激光光束能量的增益管，所述增益管内具有第一流体通道；
所述增益管包括增益直管和分别设置于所述增益直管两端的两个管状端帽，第一流体通道贯穿所述增益直管和两个所述管状端帽，且所述管状端帽呈凸台状；
所述增益直管的外侧包裹有第一密封管，所述第一密封管与所述增益直管之间相互分离以形成第二流体通道；所述第一流体通道及所述第二流体通道用于通过冷却介质，以使所述增益直管外侧与所述增益直管内侧的温度趋于一致。
可选地，在上述激光增益组件中，所述管状端帽包括等径段端帽和变径段端帽，所述变径段端帽通过所述等径段端帽与所述增益直管连接，且所述等径段端帽的外径大于所述增益直管的外径，所述变径段端帽的直径由靠近所述等径段端帽一端至远离所述等径段端帽一端逐渐减小。
可选地，在上述激光增益组件中，所述变径段端帽靠近所述等径段端帽的一端的外径与所述等径段端帽的外径相匹配。
可选地，在上述激光增益组件中，所述增益管的第一流体通道内设置有第二密封管，所述第二密封管的两端分别通过密封圈设置于两个所述管状端帽的内壁，所述第二密封管的两端分别设置有与所述第一流体通道连通的通孔。
可选地，在上述激光增益组件中，所述增益管、所述第一密封管、所述第二密封管以及两个所述管状端帽同轴设置。
可选地，在上述激光增益组件中，所述泵浦源呈管状设置并包裹于所述第一密封管的外侧，且所述泵浦源与所述第一密封管相互分离。
可选地，在上述激光增益组件中，所述第一密封管的两端分别通过密封圈设置于两个所述管状端帽的外壁，且所述第一密封管的两端分别设置有与所述第二流体通道连通的通孔。
可选地，在上述激光增益组件中，所述管状端帽的表面设置有反射膜层。
可选地，在上述激光增益组件中，所述管状端帽的折射率与所述增益直管的折射率一致。
本发明还提供一种激光器，包括激光发射器以及上述的激光增益组件所述激光发射器的出光面与所述激光增益组件中的一个管状端帽相对设置。
本申请提供的一种激光增益组件及激光器，通过设置包括增益直管和两个管状端帽的增益管以提高光束面积，且无边缘效应。这不仅提高了激光光束能量，且使得沿增益管传输的激光光束质量大幅提高。此外，由于所述增益管具有第一流体通道，所述增益直管的外侧包裹有第一密封管以构成第二流体通道，使得激光增益组件在工作过程中增益管的内侧和外侧温度趋于一致，从而大幅提高了增益管的储能能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的第一种激光增益组件的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的第一种增益管的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的第一种激光增益组件的径向剖面示意图；
图4为本申请实施例提供的激光增益组件中的激光传播示意图。
图标：100-激光增益组件；110-增益管；112-增益直管；114-管状端帽；114a-等径段端帽；114b-变径段端帽；120-泵浦源；130-第一密封管；140-第二密封管。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第二”、“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参照图1，本申请实施提供的一种激光增益组件100，所述激光增益组件100包括增益管110和泵浦源120，所述增益管110用于在泵浦源120的作用下提高激光光束的能量。
具体的，在本实施例中，请结合图2以及图3，所述增益管110内具有第一流体通道，所述增益管110包括增益直管112和分别设置于所述增益直管112两端的两个管状端帽114，第一流体通道贯穿所述增益直管112和两个所述管状端帽114，且所述管状端帽114呈凸台状。
所述增益直管112的外侧包裹有第一密封管130，所述第一密封管130与所述增益直管112之间相互分离以形成第二流体通道；所述第一流体通道及所述第二流体通道用于通过冷却介质，以使所述增益直管112外侧与所述增益直管112内侧的温度趋于一致。
可以理解，在本实施例中，所述增益直管112为圆形管道状，所述增益直管112的厚度以及所述第一流体通道的直径在此不作具体限定，根据实际应用需求进行设置即可。
通过上述设置，以在所述激光增益组件100传输激光时，激光通过一管状端帽114进入所述增益直管112后，以之字形光路在所述增益直管112中进行传输，并在所述泵浦源120的作用下提高激光光束的能量后通过另一管状端帽114输出。进而有效保证了流体的密封性和激光的高填充比。此外，与板条状增益组件相比，本申请将“非对称结构”之字形板条进行卷绕形成一个“旋转对称结构”的增益直管112的形状结构，该形状结构消除了板条宽度方向的边缘效应，使激光光束由“非对称”的之字型激光光束变成“旋转对称结构”的环形激光光束，进而使激光光束以之字形光路在增益直管112的子午面内进行传输，匀滑了增益直管112厚度方向的热致波前畸变，保证了激光光束质量。
具体的，本申请的激光增益组件100中的增益直管112的管道厚度与相同厚度的板条相比，板条的通光面积可表示为S1＝H×W，其中，H表示板条的厚度，W表示板条的宽度，一般W/H>10。由于板条的宽度受限于增益介质材料本身的尺寸，以Nd:YAG晶体(掺钕的钇铝石榴石晶体)为例，在YAG(钇铝石榴石)晶体生长的过程中会形成3个侧心，将YAG晶体分成三个区域，板条只能从单个区域中进行选材，最大能够取的宽度为YAG晶体的半径R(W＝R)，板条的通光面积S1＝H×R，因此，通光面积相对较小，而采用本申请的激光增益组件100中的增益直管112进行传输激光时，增益直管112的通光面积为S2＝π/4(D2-d2)，其中d＝D-2H，H表示增益直管112的厚度，D表示直管外圆直径，且一般取D/H>10，因此，S2≈πDH。增益直管112可以充分利用YAG介质的尺寸，使增益直管112的外径可达R(D＝R)，S2＝πH×R。在板条厚度与和增益直管112的厚度相同时，S2/S1＝π，管状相对于板条的通光面积显著提高，对应于激光光束的能量也将显著提高，因此大幅提高了激光器单口径的输出能力。
此外，在本实施例中所述第一流体通道及所述第二流体通道用于通过冷却介质，以使所述增益直管112外侧与所述增益直管112内侧的温度趋于一致，进而有效避免增益直管112因温度梯度过高导致增益管110断裂或造成激光传播过程中因增益管110不同位置处温度不同进而存在折射率不同，进而造成激光传输过程中波前畸变程度不同导致光束质量劣化的情况。
为便于对所述增益直管112的外侧壁进行冷却，在本实施例中，所述第一密封管130的两端分别通过密封圈设置于两个所述管状端帽114的外壁。
其中，所述第一密封管130可以通过所述密封圈设置于所述管状端帽114的外壁的任意位置处，也可以设置于所述管状端帽114的外壁设定位置处，在此不作具体限定。
可以理解，为避免当激光光束的强度过高时损坏所述密封圈，在本实施例中，所述管状端帽114的表面设置有反射膜层。
为便于对所述增益直管112的内侧壁进行冷却，在本实施例中，所述增益管110的第一流体通道内设置有第二密封管140，所述第二密封管140的两端分别通过密封圈设置于两个所述管状端帽114的内壁。
其中，所述第二密封管140可以通过所述密封圈设置于所述管状端帽114的内壁的任意位置处，也可以设置于所述管状端帽114的内壁的设定位置处，在此不作具体限定。
为避免当激光强度过高时损坏所述密封圈，在本实施例中，所述第一密封管130可以通过所述密封圈设置于所述管状端帽114外壁的设定位置处。其中，该设定位置可以是根据所述激光的照射宽度、管状端帽114的厚度以及管状端帽114的长度获得的激光在所述管状端帽114的外侧盲区位置。同理，所述第二密封管140可以通过所述密封圈设置于所述管状端帽114内壁的设定位置处。其中，该设定位置可以是根据所述激光的照射宽度、管状端帽114的厚度以及管状端帽114的长度获得的激光在所述管状端帽114的内侧盲区位置。
为进一步使得第一流体通道和第二流体通道内的冷却介质对所述增益直管112的各部位进行均匀冷却进而达到更佳的冷却效果，在本实施例中，所述增益管110、所述第一密封管130、所述第二密封管140以及两个所述管状端帽114同轴设置。
为进一步使得对所述增益直管112起到更好的冷却效果，在本实施例中，所述第一密封管130的两端分别设置有与所述第二流体通道连通的通孔。所述第二密封管140的两端分别设置有与所述第一流体通道连通的通孔。
所述管状端帽114的形状大小可以是任意的，只要使激光能够通过所述管状端帽114进入所述增益直管112，以及通过增益直管112进入管状端帽114后射出即可。两个所述管状端帽114的形状大小可以是相同的，也可以是不同的。
可选地，在本实施例中，两个管状端帽114的形状大小相同，且所述管状端帽114包括等径段端帽114a和变径段端帽114b，所述变径段端帽114b通过所述等径段端帽114a与所述增益直管112连接，且所述等径段端帽114a的外径大于所述增益直管112的外径，所述变径段端帽114b的直径由靠近所述等径段端帽114a一端至远离所述等径段端帽114a一端逐渐减小。
请参阅图4，通过将所述管状端帽114设置为包括等径段端帽114a和变径段端帽114b，以在进行传输激光时，激光通过变径段端帽114b的外侧壁进入并经过一次反射后进入所述等径段端帽114a，并在该等径段端帽114a中进行一次或多次反射后进入所述增益直管112内以进行传输，并在传输至位于该增益直管112的输出端位置处的管状端帽114后，经该管状端帽114的等径段端帽114a进行一次或多次反射后进入该管状端帽114的变径段端帽114b进行一次反射后输出。
其中，所述变径段端帽114b靠近所述等径段端帽114a的一端的外径可以与所述等径段端帽114a的外径相同，也可以不同，只要能够使经变径段端帽114b反射后的激光进入所述等径段端帽114a，以及使经等径段端帽114a反射后的激光进入变径段端帽114b即可，在此不作具体限定。
为便于制造所述激光增益组件100，在本实施例中，所述变径段端帽114b靠近所述等径段端帽114a的一端的外径与所述等径段端帽114a的外径相匹配。
在本实施例中，所述管状端帽114的折射率与所述增益直管112的折射率一致，且可以在同一制造工艺中形成。通过上述设置，可以使得激光在传输过程中进一步减少激光光束的能量损耗。
考虑到激光光束的能量在提升时，需要泵浦源120提供能量，因此，为使通过激光增益组件100后的激光光束的能量更均匀，本实施例中，所述泵浦源120呈管状设置并包裹于所述第一密封管130的外侧，且所述泵浦源120与所述第一密封管130相互分离。
具体的，在本实施例中，所述泵浦源120、第一密封管130以及增益直管112同轴设置，以使增益直管112各处接收到的泵浦能量均匀，从而使得发出的激光光束更均匀。
可以理解，所述泵浦源120还可以设置在其他位置，例如，可以将泵浦源120设置在光线入口的地方，使泵浦源120产生的光从激光光束射入激光增益组件100的部位相同的方向射入激光增益组件100内，为增益管110上的原子提供能级跃迁的能量。
在上述基础上，本申请还提供一种激光器，所述激光器包括激光发射器以及上述的激光增益组件100，所述激光发射器的出光面与所述激光增益组件100中的一个管状端帽114相对设置。
由于所述激光器包括所述激光增益组件100，因此，所述激光器具有与所述激光增益组件100相同或相应的技术特征，在此不作一一赘述。
综上，本申请实施例提供的激光增益组件100及激光器，通过设置包括增益直管112和两个管状端帽114的增益管110以提高激光光束面积，且无边缘效应。这不仅提高了激光光束能量，且使得沿增益管110传输的激光光束质量大幅提高。此外，由于所述增益管110具有第一流体通道，所述增益直管112的外侧包裹有第一密封管130以构成第二流体通道，使得激光增益组件100在工作过程中增益管110的内侧和外侧温度趋于一致，从而大幅提高了增益管110的储能能力。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种激光增益组件，其特征在于，所述激光增益组件包括泵浦源以及在所述泵浦源的作用下提高激光光束能量的增益管，所述增益管内具有第一流体通道；
所述增益管包括增益直管和分别设置于所述增益直管两端的两个管状端帽，第一流体通道贯穿所述增益直管和两个所述管状端帽，且所述管状端帽呈凸台状；
所述增益直管的外侧包裹有第一密封管，所述第一密封管与所述增益直管之间相互分离以形成第二流体通道；所述第一流体通道及所述第二流体通道用于通过冷却介质，以使所述增益直管外侧与所述增益直管内侧的温度趋于一致；
所述增益直管的通光面积为S2满足S2≈πDH，H表示所述增益直管的厚度，D表示所述增益直管外圆直径；
所述管状端帽包括等径段端帽和变径段端帽，所述变径段端帽通过所述等径段端帽与所述增益直管连接，且所述等径段端帽的外径大于所述增益直管的外径，所述变径段端帽的直径由靠近所述等径段端帽一端至远离所述等径段端帽一端逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的激光增益组件，其特征在于，所述变径段端帽靠近所述等径段端帽的一端的外径与所述等径段端帽的外径相匹配。
3.根据权利要求1所述的激光增益组件，其特征在于，所述增益管的第一流体通道内设置有第二密封管，所述第二密封管的两端分别通过密封圈设置于两个所述管状端帽的内壁，所述第二密封管的两端分别设置有与所述第一流体通道连通的通孔。
4.根据权利要求3所述的激光增益组件，其特征在于，所述增益管、所述第一密封管、所述第二密封管以及两个所述管状端帽同轴设置。
5.根据权利要求1所述的激光增益组件，其特征在于，所述泵浦源呈管状设置并包裹于所述第一密封管的外侧，且所述泵浦源与所述第一密封管相互分离。
6.根据权利要求1所述的激光增益组件，其特征在于，所述第一密封管的两端分别通过密封圈设置于两个所述管状端帽的外壁，且所述第一密封管的两端分别设置有与所述第二流体通道连通的通孔。
7.根据权利要求1所述的激光增益组件，其特征在于，所述管状端帽的表面设置有反射膜层。
8.根据权利要求1所述的激光增益组件，其特征在于，所述管状端帽的折射率与所述增益直管的折射率一致。
9.一种激光器，其特征在于，所述激光器包括激光发射器以及权利要求1-8任一项所述的激光增益组件，所述激光发射器的出光面与所述激光增益组件中的一个管状端帽相对设置。
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