CN111244733A - 基于直接液冷阵列分布增益模块的变口径多通激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直接液冷阵列分布增益模块的变口径多通激光放大器，包括直接液冷阵列分布增益模块、泵浦光源系统和分区变口径多通放大光路系统；所述泵浦光源系统用于将泵浦光注入所述增益模块中，以使所述增益模块产生激光增益；所述分区变口径多通放大光路系统对输入所述放大器的种子激光进行反射，使其至少两次经过所述增益模块，并对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大。本发明采用大增益口径的直接液冷阵列式激光增益模块，晶体生热密度低，可以实现有效热管理；利用多通次、口径逐渐变大的放大方式，保证每通次通光功率密度一致，能提高激光提取效率。利用单一增益模块即可实现多通放大，放大器体积小、重量轻、可靠性高。

Description

基于直接液冷阵列分布增益模块的变口径多通激光放大器

技术领域

本发明涉及高能激光技术领域，尤其是一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器。

背景技术

高平均功率全固态激光在前沿科学研究、国民经济、国家安全等领域发挥着重要作用，是激光领域的研究热点和重要方向。目前，美国、日本、俄罗斯等科技发达国家都竞相以国家计划形式支持高功率全固态激光的发展；中国也将其写入《国家中长期科学与技术发展规划纲要2006-2020》，作为激光技术及应用的重大方向之一。

随着激光功率增大而导致的严重热效应成了限制全固态激光器获得高平均功率、高光束质量激光输出的核心问题。主振荡功率放大器是实现高功率固体激光输出的有效方式，常见的是高功率板条放大器，板条放大器以“之”字形光路穿过板条，可以实现像差自补偿。但是板条产热密度高难以实现有效热管理，且通光口径小导致各级放大之间需要采用复杂的4f系统进行相传递，光路复杂，稳定性差。因此，为了支撑全固态高功率激光发展，需要采用新的激光放大构型。

直接液冷是一种有效的热管理方式，在这种高效热管理的支撑下，可以将多片增益介质进行阵列式排列，实现分布式增益。这种增益方式的优点是可以在降低单片增益介质产热率的同时在单位体积内获得极高的增益，实现激光器的紧凑化、小型化。美国专利文献US7366211B2公开了一种液体直接冷却的激光器，所述激光装置是一个将多片介质置于液体中，单通侧泵浦的方式实现激光输出，这是一种新的激光器设计思路。但是对于这样的一种激光器，由于采用单通侧泵的方式，增益介质的负指数吸收导致晶体的增益不均匀，无法实现均匀的激光放大，最终导致激光放大效率低且难以获得高光束质量输出。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器，实现有效热管理的同时实现激光的高效和高光束质量输出。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器，包括直接液冷阵列分布增益模块、泵浦光源系统和分区变口径多通放大光路系统；所述泵浦光源系统用于将泵浦光注入所述增益模块中，以使所述增益模块产生激光增益；所述分区变口径多通放大光路系统对输入所述放大器的种子激光进行反射，使其至少两次经过所述增益模块，并对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大。

所谓的每通次再进入增益模块前的激光，是指经过增益模块功率放大并出射后，需要再次进入增益模块，但还未进入增益模块的激光。即除种子激光外，其余每通次进入增益模块的激光。对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大，即对于每通次需要再进入增益模块的激光，在其进入增益模块前，对其口径进行放大。这样，在每通次进入增益模块后，激光口径逐渐变大，能有效规避由于功率密度过高导致增益模块中的增益介质损伤的问题。

上述的激光多通次经过增益模块，每一次经过，增益模块都对激光产生一次增益，实现了采用同一增益模块对激光进行多次放大的目的。同时，该方案采用大增益口径的直接液冷阵列式激光增益模块，其生热密度低，可以实现有效热管理。

进一步的，所述直接液冷阵列分布增益模块包括阵列式增益介质和通光窗口，所述通光窗口设置于所述阵列式增益介质的两侧，所述阵列式增益介质由若干薄片式激光增益介质进行阵列式排列而成，相邻薄片式激光增益介质之间形成供液体流过的微流道。通光窗口用于传输激光，使之通过内部增益介质。

阵列式增益介质具有微流道，冷却液通过该微流道时即可带走热量，实现对增益介质的冷却，该种方式具有低生热密度的特点。

进一步的，所述直接液冷阵列分布增益模块还包括框体结构，该框体结构包括内框和外框，所述内框安装于所述外框中，且与所述外框分离设置；所述通光窗口设置于所述外框上，所述阵列式增益介质设置于所述内框中。

增益模块设计为内外框分离结构，内框用于固定晶体、外框用于固定内框及通光窗口。设计内、外框结构，同时内、外框之间分离设置(即存在间隙)，使得冷却液在进入增益模块内部时，在流入增益介质的微流道的同时，流入内、外框之间的缝隙中，实现对通光窗口的冷却；同时可以有效防止冷却液流场串扰，保证在增益区域实现高均匀流场。

进一步的，所述外框的液体流入口设置有导流锥，所述导流锥通作为冷却液进入所述增益模块的入口。导流锥可以对进入的冷却液进行初步分散和降速，完成初步匀化处理，使得冷却液可以较为匀速地通过增益介质，从而达到均匀的热分布，减小了热致波前畸变。

进一步的，所述薄片式激光增益介质包括：沿液体流过所述微流道的方向依次连接的耗散段晶体、增益段晶体和恢复段晶体，所述通光窗口设置于与所述增益段晶体相对应的位置。

这样设计，使得冷却液首先流过耗散段晶体区域将湍流进一步耗散，保证到达增益段晶体的液体在展向的速度均匀性，液体经过恢复段晶体后流出装置内框。

进一步的，所述分区变口径多通放大光路系统包括：对应于各通次需要反射进所述增益模块的激光，沿激光从所述增益模块出射光路方向依次设置的三角锥型镜和激光扩束系统。

三角锥棱镜作为发生两次反射的设施(可替换为其他设备)，其将入射激光反射到激光扩束系统进行扩束(口径放大)，激光扩束系统的出射光再次入射到增益模块，实现对激光的再放大。

进一步的，对于各通次需要反射进所述增益模块的激光，对应的激光扩束系统所出射的激光进入所述增益模块的区域不同。即每通次通过增益模块的激光之间不发生重合，以防止相互干扰。

进一步的，各所述激光扩束系统对激光口径放大的比例均设计为：使出射的激光与所述种子激光的激光功率密度一致。即各通次放大激光口径按上一通次激光放大比例进行改变，确保每通次进入增益模块的激光的激光功率密度一致，防止对增益模块中的增益介质造成损伤。

进一步的，所述分区变口径多通放大光路系统还包括：对应于各组三角锥型镜和激光扩束系统的双色分光镜，所述双色分光镜将各通次需要反射进所述增益模块的激光反射进对应的三角锥型镜，激光经三角锥型镜两次反射后进入对应的激光扩束系统进行口径放大，激光扩束系统出射的激光经所述双色分光镜反射进所述增益模块。

设计双色分光镜便于增益模块之外的设施的布置。

进一步的，所述泵浦光源系统包括：设置于各所述双色分光镜远离所述增益模块的一侧的泵浦耦合系统，各泵浦耦合系统的泵浦光均通过对应的双色分光镜导入所述增益模块。这样，各泵浦耦合系统在经双色分光镜后，通过通光窗口进入增益模块内部对增益介质进行激励。

该设计一方面使得放大器设备更加紧凑，另一方面可以使得泵浦光对增益介质的激励最大化。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本设计利用基于直接液冷阵列式激光增益模块的大增益口径特点，利用同一增益模块实现对激光的多次放大，相对于4f相传递系统，大大降低了系统的复杂度。同时，多通次、口径逐渐变大的放大方式，能有效规避由于功率密度过高导致晶体损伤问题。

2、本设计采用大增益口径的直接液冷阵列式激光增益模块，晶体生热密度低，可以实现有效热管理。

3、本设计的放大器体积小、重量轻、可靠性高。

4、本设计的放大器具有输出功率高、热管理方式优秀以及输出激光光束质量好等特点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器的结构图。

图2是直接液冷阵列分布式增益模块的结构图。

图3是激光扩束系统的结构图。

图4是三角锥形镜的结构图。

图中，1、直接液冷阵列分布式增益模块，2、种子光源系统，3、种子光，4、泵浦光源系统，4-1和4-2、泵浦耦合系统，5、泵浦光，6、三角锥形反射镜，7、激光扩束系统，8、双色分光镜，9、放大激光，10、导流锥，11、模块外框，12、通光窗口，13、去流导流锥，14、晶体固定条，15、恢复段晶体，16、增益段晶体，17、耗散段晶体，18、模块内框，19、激光冷却液，20、流道分隔条，21、凸透镜，22、凹透镜。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器，其包括直接液冷阵列分布式增益模块1(以下简称增益模块)、泵浦光源系统4和分区变口径多通放大光路系统。泵浦光源系统4用于将泵浦光5注入所述增益模块1中，以使所述增益模块1产生激光增益。在一个实施例中，泵浦光5可从增益模块1的上下两侧或左右两侧方向进入增益模块1，对内部增益介质产生激励，在一个具体实施方式中，泵浦光5从激光入射到增益模块1内部的介质(即图1中的通光窗口12)进入增益模块1。所述分区变口径多通放大光路系统对输入所述放大器的种子激光进行反射，使其至少两次经过增益模块1，并对每通次从增益模块1出射后，需要再进入增益模块1的激光，在其再进入增益模块1前，对该激光的口径进行放大(扩束)。

实施例二

如图2所示，本实施例公开了直接液冷阵列分布增益模块的结构。增益模块1包括通光窗口12以及阵列式增益介质，增益介质由若干薄片式激光晶体进行阵列式排列而成。相邻薄片式激光晶体之间通过流道分隔条20分隔形成供冷却液19流过的微流道。通光窗口12用于传输激光和泵浦光5，使之通过内部增益介质，在泵浦光5的作用下，增益介质对通过的激光产生增益。

通光窗口12和增益介质均安装于框体结构上，框体结构包括内框18和外框11，上述由若干薄片式激光晶体构成的增益介质通过固定条14固定堆叠于模块内框18中。模块内框18与模块外框11通过螺丝连接，且与所述外框11分离设置。外框11设置通光窗口12用于传输激光9。在外框11的液体流入口设置有导流锥10，激光冷却液19经过导流锥10流入晶体间由流道分隔条20分隔形成的平板微流道以及内、外框缝隙中，以对增益介质和通光窗口12进行冷却。增益模块设计为内、外框分离结构，内框18用于固定晶体、外框11用于固定内框18及通光窗口12，有效防止冷却液流场串扰，保证在增益区域实现高均匀流场。在外框11的液体流出口设置有去流锥13，在增益模块内工作后的冷却液19经过该去流锥13的收集聚拢后，统一流出增益模块。

实施例三

本实施例公开了薄片式激光晶体的结构。该薄片式激光晶体包括沿冷却液19流过微流道方向依次连接的耗散段晶体17、增益段晶体16和恢复段晶体15，三段晶体键合为一体，或通过粘接方式连接为一体。增益段晶体16作为对激光产生增益的工作区，通光窗口12对应于该增益段晶体16设置。对应于实施例二，通光窗口12设置于正对该增益段晶体16的外框11上。

冷却液19首先流过耗散段晶体17区域将湍流在导流锥10匀化后进一步耗散湍流，保证到达增益段晶体16的液体在展向的层流速度均匀性，液体经过恢复段晶体15后流出模块内框18。

实施例四

本实施例公开了分区变口径多通放大光路系统的结构，参见附图1，其包括对应于各通次需要反射进所述增益模块的激光，沿激光从所述增益模块出射光路方向依次设置的三角锥型镜6和激光扩束系统7。即从增益模块出射后的激光需要再进入增益模块时，则需要一组三角锥型镜6和激光扩束系统7。三角锥型镜6反射激光以改变激光的方向，同时还可调整激光相位，激光扩束系统7则对三角锥型镜6反射的激光的口径进行扩束，以改变激光的激光功率密度。在一个实施例中，各个激光扩束系统7对于入射激光口径的扩束均使得出射激光的激光功率密度与种子激光的激光功率密度相同，例如种子激光的激光功率密度为a，则各激光扩束系统7对于入射激光的扩束比例设置使得其出射的激光的激光功率密度也为a，对于扩束比例的设计，需要结合对激光的放大比例进行设计。

对于激光扩束系统7的结构，如图3所示，其中箭头所指方向为激光传播方向。激光扩束系统7包括由一个凹透镜22和一个凸透镜21组成的透镜组，凹透镜和凸透镜是共焦的，这种组合方式可让进出激光的方向保持一致。激光D1经过凹透镜22进行发散，发散后的激光经凸透镜21再聚拢，由于两透镜21、22共焦，则凸透镜21出射的激光D2与入射到凹透镜22的激光D1一样是平行光。

对于三角锥型镜6的结构，如图4所示，其中实线箭头与虚线箭头分别表示光斑不同位置的传输路径。三角锥形镜7横截面为直角三角形，其S1面镀激光高反膜，S2面镀增透膜，锥形角θ为45°(即横截面为等腰直角三角形)。利用该三角锥形镜6的两次反射作用，可以实现光斑位置的转换，在直接液冷激光增益模块中可以实现热致倾斜像差自补偿。

实施例五

在实施例四的基础上，本实施例公开了另一种分区变口径多通放大光路系统的结构。如图1所示，分区变口径多通放大光路系统还包括对应于各组三角锥型镜6和激光扩束系统7的双色分光镜8。所述双色分光镜8将各通次需要反射进所述增益模块的激光反射进对应的三角锥型镜6，激光经三角锥型镜6两次反射后进入对应的激光扩束系统7进行口径放大，激光扩束系统7出射的激光经所述双色分光镜8反射进所述增益模块。

对应于上述设计，所述泵浦光源系统4包括：设置于各所述双色分光镜8远离所述增益模块的一侧的泵浦耦合系统4-1、4-2，各泵浦耦合系统4-1、4-2的泵浦光均通过对应的双色分光镜8导入所述增益模块。

实施例六

如图1所示，以激光三通次经过增益模块为例(其余数量的通次同理)，其中入射一个通次，经分区变口径多通放大光路系统反射两个通次，本实施例公开了一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器。其结构包括：直接液冷阵列分布式增益模块1，泵浦光源系统4，其产生泵浦光5，三角锥形反射镜6-1、6-2，激光扩束系统7-1、7-2，双色分光镜8-1、8-2，直接液冷阵列分布式增益模块1包括：导流锥10、模块外框11、通光窗口12、去流锥13、晶体固定条14、恢复段晶体15、增益段晶体16、耗散段晶体17、模块内框18、激光冷却液19和流道分隔条20。

导流锥10和去流锥13分别设置于模块外框11的冷却液流入口和流出口，模块内框18固定于模块外框11内，与模块外框11分离设计(即存在间隔)。耗散段晶体17、增益段晶体16和恢复段晶体15沿冷却液19流过微流道方向排列键合为薄片式增益介质，若干薄片式增益介质中，相邻薄片式增益介质通过流道分隔条20进行阵列式排布得到增益介质，增益介质通过晶体固定条14固定于模块内框18中。通光窗口12设置于模块外框11上对应于增益段晶体16的位置。

一组三角锥形反射镜6-1、激光扩束系统7-1和双色分光镜8-1沿从增益模块出射的激光的光路方向设置于增益模块的一侧，一组三角锥形反射镜6-2、激光扩束系统7-2和双色分光镜8-2设置于相对于增益模块的另一侧。对应于双色分光镜8-1、8-2，在双色分光镜8-1、8-2的背侧，泵浦光源系统4包括泵浦耦合系统4-1、4-2，两泵浦耦合系统4-1、4-2通过对应的双色分光镜8-1、8-2将泵浦光导入增益模块。

泵浦耦合系统4-1、4-2将泵浦光5从增益模块的双端通过双色分光镜8-1、8-2注入到增益模块1中，增益模块1中产生激光增益。待放大的种子激光3通过双色分光镜8-2反射进入增益模块1中进行第一通次放大，放大激光通过增益模块后经过双色分光镜8-1反射进三角锥形镜6-1，在三角锥形镜6-1内经过两次反射后进入激光扩束系统7-1，经过扩束后的激光经双色分光镜8-1反射后再次进入增益模块中。经过增益模块放大后的激光通过另一侧的双色分光镜8-2反射后，依次进入三角锥形镜6-2和激光扩束系统7-2，经激光扩束系统7-2扩束的激光经双色分光镜8-2反射后，再次从不同区域进入增益模块中。如此往复可以实现更多通次的放大和扩束。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器，其特征在于，包括直接液冷阵列分布增益模块、泵浦光源系统和分区变口径多通放大光路系统；所述泵浦光源系统用于将泵浦光注入所述增益模块中，以使所述增益模块产生激光增益；所述分区变口径多通放大光路系统对输入所述放大器的种子激光进行反射，使其至少两次经过所述增益模块，并对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大。

2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述直接液冷阵列分布增益模块包括阵列式增益介质和通光窗口，所述通光窗口设置于所述阵列式增益介质的两侧，所述阵列式增益介质由若干薄片式激光增益介质进行阵列式排列而成，相邻薄片式激光增益介质之间形成供液体流过的微流道。

3.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述直接液冷阵列分布增益模块还包括框体结构，该框体结构包括内框和外框，所述内框安装于所述外框中，且与所述外框分离设置；所述通光窗口设置于所述外框上，所述阵列式增益介质设置于所述内框中。

4.如权利要求3所述的放大器，其特征在于，所述外框的液体流入口设置有导流锥，所述导流锥通作为冷却液进入所述增益模块的入口。

5.如权利要求3或4所述的放大器，其特征在于，所述薄片式激光增益介质包括：沿液液体流过所述微流道的方向依次连接的耗散段晶体、增益段晶体和恢复段晶体，所述通光窗口设置于与所述增益段晶体相对应的位置。

6.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述分区变口径多通放大光路系统包括：对应于各通次需要反射进所述增益模块的激光，沿激光从所述增益模块出射光路方向依次设置的三角锥型镜和激光扩束系统。

7.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，对于各通次需要反射进所述增益模块的激光，对应的激光扩束系统所出射的激光进入所述增益模块的区域不同。

8.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，各所述激光扩束系统对激光口径放大的比例均设计为：使出射的激光与所述种子激光的激光功率密度一致。

9.如权利要求6～8任一所述的放大器，其特征在于，所述分区变口径多通放大光路系统还包括：对应于各组三角锥型镜和激光扩束系统的双色分光镜，所述双色分光镜将各通次需要反射进所述增益模块的激光反射进对应的三角锥型镜，激光经三角锥型镜两次反射后进入对应的激光扩束系统进行口径放大，激光扩束系统出射的激光经所述双色分光镜反射进所述增益模块。

10.如权利要求9所述的放大器，其特征在于，所述泵浦光源系统包括：设置于各所述双色分光镜远离所述增益模块的一侧的泵浦耦合系统，各泵浦耦合系统的泵浦光均通过对应的双色分光镜导入所述增益模块。

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