CN109411997A - 氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器 - Google Patents

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Abstract

一种氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，包括灯箱组件、片框组件、片箱组件和端镜组件，其特点在于，所述的片框组件与通光方向夹角θ为45°安装，所述的片框组件自上而下安装入片腔组件内，片框的下底面与片腔下底板的上表面重合，所述的灯箱组件依靠螺钉错位安装在所述的片腔组件的左右两侧，所述的端镜组件沿着通光方向中心错位依靠螺钉安装于片腔组件的前后两侧。本发明利用端镜倾角摆放、氙灯液体冷却、增益介质叠片式液体导流均匀冷却、片箱气冷洁净控制，有效降低了放大器自发辐射，抑制了寄生振荡，提高了储能效率与热管理，具有高效率、高重复频率、低成本、大能量、高增益均匀性的稳定运行的特点。

Description

氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器
技术领域
本发明涉及高功率固体激光器，特别是一种氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器。
背景技术
二十一世纪能源问题和地区冲突日益凸显，加快新能源开发和巩固国防显得尤为重要。受控核聚变技术由于可以将原子核中的巨大能量得以释放，并且聚变原料来自于取之不尽用之不竭的海水，所以该技术有望彻底解决人类面临的能源问题，但是要实现激光聚变能源的要求，激光能量需要达到2.5MJ，打靶频率在10Hz以上，所以随着聚变能源工程(IFE)固体激光驱动器的牵引，激光器逐渐朝着大能量、高重频化方向发展。
高效的片状放大器作为能量放大的核心元器件，正是实现IFE关键环节，而要实现片状放大器的高重频化，最核心的又是热管理及热效应的控制，为此，国内外进行了大量的研究工作，归结下来主要是三个方面：(1)对氙灯辐射光谱进行研究，减少不必要的吸收，控制增益介质的生热，这是从根本上解决固体激光器热效应的途径；(2)利用高效率的冷却技术进行散热，如低温气体冷却，常温水冷等；(3)通过激光系统结构的优化设计补偿热效应带来的影响，针对不同的热效应产生机理，采用不同的热效应补偿技术。尽管以上的热效应及补偿技术都取得了一定的效果，但是：(1)放大介质大多采用难以提供大尺寸的Yb:YAG晶体，通光口径小；(2)为了降低工作阈值，使得Yb:YAG晶体工作在四能级状态，必须使其保持在170K的低温状态下工作；(3)泵浦源局限于仍旧昂贵的激光二极管。
受限于以上因素，到目前为止，以LD泵浦Yb:YAG晶体片状放大器的大能量、重频激光系统的最高输出能量不超过100J。
发明内容
本发明的目的是为解决上述现有技术的问题，提供一种氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，利用价格相对低廉的氙灯作为泵浦源，对灯箱实施主动冷却，增益介质采用薄片叠片式排布，借助导流结构实现对增益介质的均匀、快速冷却，具有高效率、高重复频率、低成本、大能量、高增益均匀性的稳定运行的特点。
本发明的解决方案如下：
一种氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，由灯箱组件、片框组件、片腔组件和端镜组件组成，其特点在于：所述的片框组件自上而下安装入片腔组件内，片框的下底面与片腔下底板的上表面重合，且所述的片框组件与通光方向的夹角θ为45°，所述的灯箱组件依靠螺钉错位安装在所述的片腔组件的左右两侧，所述的错位距离d1，所述的端镜组件沿着通光方向中心错位，依靠螺钉安装于片腔组件的前后两端，所述的错位距离为d2；
所述的灯箱组件包括灯箱、氙灯、反射器、灯箱盖板和灯箱隔板玻璃，所述的氙灯的两端依次通过密封圈、压块和螺钉固定在灯箱内，所述的反射器通过螺钉固定在灯箱的内侧壁上，且与氙灯外表面的最小距离为d3，所述的灯箱上下两端设有结构对称的出液冷却结构和进液冷却结构，灯箱隔板玻璃通过密封圈、密封圈、灯箱盖板和螺钉进行密封；所述进液冷却结构包括进液口、水平导流口、均分进液口，冷却液经进液口进入水平导流口进行导流，而后溶液通过均分进液口均分进入灯箱内部，均匀冷却氙灯的一端电极，最后经出液口冷却结构均匀冷却氙灯另一端的电极；
所述的片框组件包括增益介质叠片组件、隔板玻璃、片框、片框盖板、进液口组件和出液口，所述的增益介质叠片组件置于片框内部，所述的隔板玻璃的密封方式与灯箱隔板玻璃相同，所述的进液口组件安装于片框的底部，实现增益介质冷却液入液导流和支撑，所述的片框的上底面安装所述的出液口；
所述的片腔组件包括片腔、上下反光板、侧面反光板、片腔冷却与洁净控制结构，所述的上下反光板安装于片腔内的顶部和底部，所述的侧面反光板安装于片腔内侧面实现全腔内部高反，采用上进下出的进出气方式保持腔体内部洁净；
所述的端镜组件包括端镜、斜面压框一、斜面压框二、端镜镜筒和窗口压盖，所述的端镜置于斜面压框一与斜面压框二之间，并通过窗口压盖固定在所述的端镜镜筒内，所述的端镜镜面中心法线与通光方向保持α夹角，端镜与隔板玻璃的密封方式相同。
所述的反射器为平面型、渐开线型或仿渐开线型。
所述的冷却液体为去离子水或重水。
所述的d1＞5mm，d2＞10mm，d3≥2mm，α的变化范围为1°～5°。
所述增益介质叠片组件包括增益介质、热沉支撑叠片和定位销，所述的热沉支撑叠片与增益介质交替叠加，最后通过定位销穿入热沉支撑叠片上的定位孔，将热沉支撑叠片与增益介质定位，所述的增益介质为1-5片，单片厚度为5-15mm，增益介质间的间隙为1-5mm。
所述的增益介质为钕玻璃，多片钕玻璃平行且钕玻璃表面法线与通光方向呈45°。
所述的热沉支撑叠片材质为铜。
所述的进液口组件包括长支撑片、短支撑片和弯管进液口，所述的长支撑片共3片，短支撑片共26片，所述的长支撑片与短支撑片通过各自的卡槽相互卡在一起，最终呈“井”字型网格等间距排布。
所述的增益介质冷却液为FC-770(电子氟化液)，或是与增益介质折射率匹配的液体。
本发明的优点是：
本发明利用端镜倾角摆放、氙灯液体冷却、增益介质叠片式液体导流均匀冷却、片箱气冷洁净控制，有效降低了放大器自发辐射，抑制了寄生振荡，提高了储能效率与热管理，具有高效率、高重复频率、低成本、大能量、高增益均匀性的稳定运行的特点。
本发明使用价格相对低廉的氙灯作为泵浦源、较容易提供大尺寸的钕玻璃作为增益介质，更加经济地实现1000J级、0.1-1Hz的均匀激光输出，大大提高了高功率激光系统的运行效率。
附图说明
图1为氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器的结构示意图；
图2为灯箱组件结构示意图；
图3为片框组件结构示意图；
图4为片腔组件结构示意图；
图5为端镜组件结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明，但本发明范围并不限于下述的实施例。
实施例
本发明氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器如图1-图5所示，本发明氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器由灯箱组件1、片框组件2、片腔组件3和端镜组件4组成，所述的片框组件2与通光方向夹角θ为45°安装，所述的片框组件2自上而下安装入片腔组件3内，片框13的下底面与片腔25下底板的上表面重合，所述的灯箱组件1依靠螺钉33错位安装在所述的片腔组件3的左右两侧，所述的错位距离d1为11mm，所述的端镜组件4沿着通光方向中心错位依靠螺钉32安装于片腔组件3的前后两端，所述的错位距离d1为15mm，所述的灯箱组件1包括灯箱6、氙灯8、反射器7、灯箱盖板40和灯箱隔板玻璃41，氙灯8的两端依次通过密封圈34、压块35和螺钉36与灯箱6进行固定，反射器7通过螺钉37固定于灯箱6内壁，且与氙灯8外表面距离d3为2mm，灯箱6上下两端含有氙灯冷却导流组件5，灯箱隔板玻璃41通过密封圈42、密封圈43、灯箱盖板40和螺钉44进行密封，所述的片框组件2包括增益介质叠片组件19、隔板玻璃16、片框13、片框盖板17、进液口组件20和出液口12，所述的增益介质叠片组件19置于片框13内部，所述的隔板玻璃16的密封方式与灯箱隔板玻璃41相同，进液口组件20安装于片框13底部，实现冷却液入液导流和支撑，片框13上底面安装所述的出液口12，所述的片腔组件3包括片腔25、上下反光板24、侧面反光板23、片腔冷却与洁净控制结构22，上下反光板24安装于片腔25内腔的顶部和底部，侧面反光板23安装于片腔25内腔侧面实现全腔内部高反，采用上进下出的进出气方式保持腔体内部洁净，所述的端镜组件4包括端镜31、斜面压框一29、斜面压框二30、端镜镜筒27和窗口压盖28，端镜31置于斜面压框一29与斜面压框二30之间，并通过窗口压盖28固定于端镜镜筒27内，端镜31镜面中心法线与与通光方向保持α为3°的夹角，端镜31与隔板玻璃41的密封方式相同。
所述的灯箱6上下两端分别为出液冷却结构39和进液冷却结构38两部分，两部分结构对称，进液冷却结构38包括进液口9、水平导流口10、均分进液口11，冷却液经进液口9进入水平导流口10进行导流，而后通过均分进液口11实现溶液均分进入灯箱6内部，均匀冷却氙灯8一端电极，最后经出液口冷却结构39均匀冷却氙灯8另一端的电极，所述的反射器7为平面型平板反射器，灯箱组件1所用冷却液体为去离子水，所述增益介质叠片组件19包括增益介质21、热沉支撑叠片15和定位销14，热沉支撑叠片15与增益介质21交替叠加，最后通过定位销14穿入热沉支撑叠片15上的定位孔，将热沉支撑叠片15与增益介质21定位，所述的增益介质21为3片，单片厚度为10mm，增益介质21之间的间隙为3mm，增益介质21为钕玻璃，3片钕玻璃平行且钕玻璃表面法线与通光方向呈45°夹角，热沉支撑叠片15材质为铜，所述的进液口组件20包括长支撑片22、短支撑片23和弯管进液口18，长支撑片22共3片，短支撑片23共26片，其中长支撑片22与短支撑片23呈“井”字型网格等间距排布，所述的增益介质21冷却液为FC-770(电子氟化液)。
实验表明，本发明使用价格相对低廉的氙灯作为泵浦源、较容易提供大尺寸的钕玻璃作为增益介质，更加经济地实现1000J级、0.1-1Hz的均匀激光输出，大大提高了高功率激光系统的运行效率。
本发明利用端镜倾角摆放、氙灯液体冷却、增益介质叠片式液体导流均匀冷却、片箱气冷洁净控制，有效降低了放大器自发辐射，抑制了寄生振荡，提高了储能效率与热管理，具有高效率、高重复频率、低成本、大能量、高增益均匀性的稳定运行的特点。

Claims (9)

1.一种氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，由灯箱组件(1)、片框组件(2)、片腔组件(3)和端镜组件(4)组成，其特征在于：所述的片框组件(2)自上而下安装入片腔组件(3)内，片框(13)的下底面与片腔(25)下底板的上表面重合，且所述的片框组件(2)与通光方向的夹角θ为45°，所述的灯箱组件(1)依靠螺钉(32)错位安装在所述的片腔组件(3)的左右两侧，所述的错位距离d1，所述的端镜组件(4)沿着通光方向中心错位，依靠螺钉(33)安装于片腔组件(3)的前后两端，所述的错位距离为d2；
所述的灯箱组件(1)包括灯箱(6)、氙灯(8)、反射器(7)、灯箱盖板(40)和灯箱隔板玻璃(41)，所述的氙灯(8)的两端依次通过密封圈(34)、压块(35)和螺钉(36)固定在灯箱(6)内，所述的反射器(7)通过螺钉(37)固定在灯箱(6)的内侧壁上，且与氙灯(8)外表面的最小距离为d3，所述的灯箱(6)上下两端设有结构对称的出液冷却结构(39)和进液冷却结构(38)，灯箱隔板玻璃(41)通过密封圈(42)、密封圈(43)、灯箱盖板(40)和螺钉(44)进行密封；所述进液冷却结构(38)包括进液口(9)、水平导流口(10)、均分进液口(11)，冷却液经进液口(9)进入水平导流口(10)进行导流，而后溶液通过均分进液口(11)均分进入灯箱(6)内部，均匀冷却氙灯(8)的一端电极，最后经出液口冷却结构(39)均匀冷却氙灯(8)另一端的电极；
所述的片框组件(2)包括增益介质叠片组件(19)、隔板玻璃(16)、片框(13)、片框盖板(17)、进液口组件(20)和出液口(12)，所述的增益介质叠片组件(19)置于片框(13)内部，所述的隔板玻璃(16)的密封方式与灯箱隔板玻璃(41)相同，所述的进液口组件(20)安装于片框(13)的底部，实现增益介质冷却液入液导流和支撑，所述的片框(13)的上底面安装所述的出液口(12)；
所述的片腔组件(3)包括片腔(25)、上下反光板(24)、侧面反光板(23)、片腔冷却与洁净控制结构(22)，所述的上下反光板(24)安装于片腔(25)内的顶部和底部，所述的侧面反光板(23)安装于片腔(25)内侧面实现全腔内部高反，采用上进下出的进出气方式保持腔体内部洁净；
所述的端镜组件(4)包括端镜(31)、斜面压框一(29)、斜面压框二(30)、端镜镜筒(27)和窗口压盖(28)，所述的端镜(31)置于斜面压框一(29)与斜面压框二(30)之间，并通过窗口压盖(28)固定在所述的端镜镜筒(27)内，所述的端镜(31)镜面中心法线与通光方向保持α夹角，端镜(31)与隔板玻璃(41)的密封方式相同。
2.根据权利要求1所述的氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，其特征在于所述的反射器(7)为平面型、渐开线型或仿渐开线型。
3.根据权利要求1所述的氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，其特征在于所述的冷却液体为去离子水或重水。
4.根据权利要求1所述的氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，其特征在于所述的d1＞5mm，d2＞10mm，d3≥2mm，α的变化范围为1°～5°。
5.根据权利要求1所述的氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，其特征在于所述增益介质叠片组件(19)包括增益介质(21)、热沉支撑叠片(15)和定位销(14)，所述的热沉支撑叠片(15)与增益介质(21)交替叠加，最后通过定位销(14)穿入热沉支撑叠片(15)上的定位孔，将热沉支撑叠片(15)与增益介质(21)定位，所述的增益介质(21)为1-5片，单片厚度为5-15mm，增益介质(21)间的间隙为1-5mm。
6.根据权利要求5所述的氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器增益介质叠片组件，其特征在于所述的增益介质(21)为钕玻璃，多片钕玻璃平行且钕玻璃表面法线与通光方向呈45°。
7.根据权利要求5所述的氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器增益介质叠片组件，其特征在于所述的热沉支撑叠片(15)材质为铜。
8.根据权利要求1所述的氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，其特征在于所述的进液口组件(20)包括长支撑片(22)、短支撑片(23)和弯管进液口(18)，所述的长支撑片(22)共3片，短支撑片(23)共26片，所述的长支撑片(22)与短支撑片(23)通过各自的卡槽卡在一起，最终呈“井”字型网格等间距排布。
9.根据权利要求1至8任一项所述的氙灯泵浦液体冷却的叠片式重复频率片状放大器，其特征在于所述的增益介质冷却液为FC-770(电子氟化液)，或是与增益介质(21)折射率匹配的液体。
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