CN111313212B - 一种高交叠效率直接液冷激光增益装置和激光谐振腔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高交叠效率直接液冷激光增益装置和激光谐振腔，激光谐振腔在激光增益装置基础上增加了双泵浦系统。增益装置包括异形通光窗口、增益介质、激光冷却液体。本发明针对常规阵列式直接液冷激光器采用布鲁斯特角入射导致光瞳偏移使得激光与增益介质交叠效率低的弊端，创新性地提出了通过设计晶体切割角度及摆放方式实现激光在增益介质与冷却液体中的光瞳自补偿，同时采用特定切割角度的异形通光窗口实现激光垂直入射增益装置的同时满足增益介质的布鲁斯特角入射。本发明的激光增益装置不仅有效地提高了增益介质的有效利用率，同时降低了激光系统的复杂性。

Description

一种高交叠效率直接液冷激光增益装置和激光谐振腔
技术领域
本发明涉及高能激光技术领域，尤其是一种可实现偏振激光输出的高交叠效率直接液冷激光增益装置和对应的激光谐振腔。
背景技术
热管理是影响激光器功率、效率以及体积重量等指标的关键因素。随着激光器输出功率的提高，对热管理的要求更是进一步的提高。固体激光器常规的热沉式散热方式已经逐渐不能满足高功率激光器高效、快速散热的要求。为了满足散热需求，势必会增加散热结构件的体积和重量，且会增加系统的复杂性。因此，需要设计新型的固体激光器散热方式，开发新型的可实现紧凑化的固体激光器。直接液冷是一种有效的热管理方式，将激光增益介质直接浸泡在冷却液中，通过液体的流动直接带走介质热量，从而实现快速、高效的热管理。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。美国专利号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。
对于直接液冷激光器，激光需要多次穿过液体和晶体，由于液体和晶体的折射率不同将导致在界面处产生菲涅耳反射，形成较大损耗。常见的思路是采用晶体与液体进行折射率匹配的方式，晶体与液体的折射率相同后将不会产生非涅耳反射，但是自然界中满足折射率匹配且能实现激光输出的晶体和液体的组合极少，限制了该类激光发展。另一种思路是采用液体和晶体间布鲁斯特角入射传输的方式，p偏振激光从液体中以布鲁斯特角入射进晶体中为完全透射无损耗，这种方式的缺点是布鲁斯特角入射会导致光路偏移，激光与增益介质的交叠效率低，导致晶体利用率低从而降低激光的电光效率。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高交叠效率直接液冷激光增益装置，以通过异形通光镜(通光窗)和增益晶体摆放角度的设计，实现激光垂直入射增益装置的同时满足增益介质的布鲁斯特角入射，从而提高增益介质交叠效率，解决增益介质利用率低和系统复杂的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种高交叠效率直接液冷激光增益装置，包括入射通光镜、增益介质、出射通光镜和激光冷却液，增益介质和激光冷却液位于入射通光镜和出射通光镜之间，增益介质形成有冷却液流道，激光冷却液流过冷却液流道(即增益介质表面)以为增益介质降温；通过泵浦源为增益介质提供泵浦光，增益介质对导入的激光产生增益；
入射通光镜的光出射面与出射通光镜的光入射面平行；
各增益介质成阵列式排布，且均平行于入射通光镜的光出射面；
入射通光镜的光入射面和光出射面间的角度满足以下关系：
激光垂直于光入射面入射后，经过光出射面导入激光冷却液中后，以激光冷却液与增益介质之间的布鲁斯特角导入增益介质中；
入射通光镜、出射通光镜和增益介质之间的位置关系为：
任一从入射通光镜的光入射面垂直入射并能经过各增益介质的激光，均能通过出射通光镜。
本发明的通光镜(入射通光镜和出射通光镜)为异形通光窗口，用于传导激光，保证激光以特定角度进入到增益介质中。增益介质用于产生激光增益，实现激光放大。同时，一定角度设置的增益介质可以保证光瞳补偿，若干阵列排布的增益介质在单位体积上可以对激光产生更高的激光增益。
本发明的装置的工作原理为：激光以垂直方式经过入射通光镜入射面进入到异形通光窗口(入射面和出射面不平行)中，经过出射面导入激光冷却液中，再以激光冷却液与增益介质之间的布鲁斯特角导入增益介质中，经过增益介质的放大后再导入激光冷却液中，经过多片增益介质的放大后由出射通光镜到处放大的激光。异形通光窗的设计，可以使垂直入射的激光以布鲁斯特角进入增益介质中，减小菲涅耳反射，增益介质角度的设计可以使激光在增益介质中的偏转量和在相邻激光冷却液中的偏转量实现自补偿，进而提高交叠效率，激光可垂直入射，降低了装置的复杂性，提高了装置的紧凑性。
进一步的，各增益介质的厚度和折射率、激光冷却液的折射率和冷却液流道的宽度相互配合配置，以使激光在增益介质的光瞳折射偏移量于激光在激光冷却液中的光瞳折射偏移量一致。
该设计使得光瞳补偿效果最佳，最后出射的激光与入射的激光的偏移量最小，确保装置的紧凑程度。
进一步的，入射通光镜的光入射面与出射通光镜的光出射面平行。该设计使得出射激光与入射激光平行。
进一步的，入射通光镜的顶面和底面平行，入射通光镜的顶部、各增益介质的顶部和出射通光镜的顶部共线；入射通光镜的底部、各增益介质的底部和出射通光镜的底部共线。这样设计，使得装置的工作部分的上下两端间距最小。对于入射通光镜入射面和出射通光镜出射面平行的情况，则装置工作部分形成一个平行四边形，作为平行出射装置的最小结构。
进一步的，激光冷却液为具有高热力学性能，且对激光波长和泵浦光波长无明显光吸收的液体。
进一步的，冷却液流道的流向与入射通光镜的光入射面的法向垂直。使得激光在冷却液中传播方向不易在增益介质长度方向发生偏移。
为解决上述存在的问题，本发明还提供了一种高交叠效率直接液冷激光谐振腔，沿激光光路方向依次设置全反激光腔镜、第一泵浦系统、上述的高交叠效率直接液冷激光增益装置、第二泵浦系统和激光输出镜；第一泵浦系统和第二泵浦系统均由泵浦源和双色镜构成，双色镜用于透过对应泵浦源的泵浦光，以将泵浦光输入高交叠效率直接液冷激光增益装置，双色镜还对激光进行全反射；经全反激光镜输出的激光经第一泵浦系统的双色镜全反射后，与第一泵浦系统的泵浦源的泵浦光共光路输入高交叠效率直接液冷激光增益装置，由高交叠效率直接液冷激光增益装置输出的激光经第二泵浦系统的双色镜反射后，经激光输出镜输出。
该激激光谐振腔采用双泵浦源设计，均匀化了增益介质的受激效果。
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、本发明的装置通过异形通光窗的设计，使得垂直入射的激光可以以布鲁斯特角入射入增益介质，以减小菲涅耳反射，同时降低装置的复杂性；通过一定角度设置增益介质，可以实现光瞳偏移自补偿，在单位体积内增加了交叠效率。
2、本发明的装置具备高效热管理、高效偏振激光输出。
3、本发明的装置结构紧凑，复杂性低，大幅提高了增益介质的利用效率，较常规直接液冷激光器的相同部分，在同等效果下减小了装置的体积。
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是高交叠效率直接液冷激光增益装置结构图。
图2是激光在增益介质与激光冷却液中传播的光路图。
图3是激光增益装置中设计的入射通光镜结构图。
图4是基于高交叠效率直接液冷激光增益装置的激光谐振腔结构图。
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高交叠效率直接液冷激光增益装置，其原理与常规直接液冷激光增益装置相同，包括入射通光镜1、增益介质2、出射通光镜1’和激光冷却液3，增益介质2和激光冷却液3位于所述入射通光镜1和出射通光镜1’之间，增益介质2形成有冷却液流道，激光冷却液3流过冷却液流道，流过增益介质2表面以为增益介质2降温，可以在降低单片介质热负载的同时在单位体积内获得较高的激光增益。
上述装置中，至少入射通光镜1为异形结构，其光入射面和光出射面件的角度满足一下关系：
激光垂直于光入射面入射后，经过光出射面导入激光冷却液3中后，以激光冷却液3与增益介质2之间的布鲁斯特角导入增益介质2中。减小菲涅耳反射的同时实现激光的光瞳偏移自补偿，增加交叠效率。激光垂直入射进装置，操作简单，降低了应用时对入射角度设置的特殊要求，降低了应用场景的复杂性。
入射通光镜1的光出射面与出射通光镜1’的光入射面B平行，成阵列式排布的增益介质2均平行于所述入射通光镜1的光出射面，即如图2所示，增益介质2长度方向的两侧面b、d均平行于入射通光镜1的光出射面(即出射通光镜1’的光入射面B)。
此外，入射通光镜1、出射通光镜1’和增益介质2间的位置关系为：
任一从入射通光镜1的光入射面垂直入射并能经过各所述增益介质2的激光，均能通过出射通光镜1’。即经增益介质2放大后的激光均能由出射通光镜1’输出，而不会存在激光丢失的现象。
在一个实施例中，冷却液流道的流向与所述入射通光镜1的光入射面的法向垂直。如图1所示中，方向4即为冷却液流道的方向。
在本实施例中，对激光增益介质2无特殊要求，可选具有各向同性的激光介质(如Nd:YAG)，也可选择具有双折射特性的各向异性的激光晶体(Nd:YLF)。
对于激光冷却液3的选择，在一个实施例中，优选具有高热力学性能(高热导率、大热容)、且对激光波长和泵浦光波长无明显光吸收的液体作为激光冷却液3，如重水、四氯化碳。
实施例二
本实施例公开了入射通光镜1出射面的角度(即确定了增益介质2的角度)设计所满足的条件。各增益介质2的厚度和折射率、激光冷却液3的折射率和冷却液流道的宽度相互配合配置，以使激光在增益介质2的光瞳折射偏移量于激光在激光冷却液3中的光瞳折射偏移量一致。
如图2、3所示，设置增益介质2的厚度为d1，增益介质间流道厚度为d2，增益介质的折射率为n1，液体折射率为n2，增益介质a面与b面的切角(入光面与底部间夹角)为α。为了满足激光在增益介质2的光瞳折射偏移h1和在液体中的光瞳折射偏移h2一致，从而实现光瞳完全自补偿，晶体切角α的设置需要满足以下关系：
d1sin(θB-α)/sinθB＝d2sin(θB+α-p/2)/cosθB
其中θB为激光冷却液3与增益介质2之间的布鲁斯特角。
在一个实施例中，如图1所示，入射通光镜1的顶面和底面平行，入射通光镜1的顶部、各所述增益介质2的顶部c和出射通光镜1’的顶部C共线；入射通光镜1的底部、各增益介质2的底部a和出射通光镜1’的底部A共线。进一步的，入射通光镜1的光入射面与所述出射通光镜1’的光出射面D平行，从而在整体上使装置形成一个平行四边形。如图3所示，设入射通光镜1材料的折射率为n3(出射通光镜1’与入射通光镜1完全相同)，为了实现激光垂直入射进异形通光窗口，面A与面D之间的角度需要专门设置，满足如下关系：
γ＝α
β＝p-γ-sin-1(n3sinθB/n2)
当然，本发明也不排除仅入射通光镜1设置为图3结构(图3做中心对称)，出射通光镜1’设置为其他结构的情形。
这样，激光L1以垂直方式经过面D入射进入射通光镜1中，经过面B导入激光冷却液3中，再以激光冷却液3与增益介质2之间的布鲁斯特角θB导入增益介质2中，经过增益介质2的增益放大后再导入激光冷却液3中，如此重复。通过设置合理的晶体切角α，激光在增益介质2中传输的折射偏移量h1与激光冷却液3中传输的折射偏移量h2一致，实现光瞳偏移自补偿，保证了通光的高交叠效率。激光通过多片增益介质2的放大后由出射通光镜1’将放大后的激光L2导出。
实施例三
本实施例公开了一种基于上述实施例的高交叠效率直接液冷激光增益装置的激光谐振腔。如图4所示，激光器沿激光光路方向依次设置全反激光腔镜、第一泵浦系统、上述实施例中的高交叠效率直接液冷激光增益装置、第二泵浦系统和激光输出镜；第一泵浦系统和第二泵浦系统均由泵浦源和双色镜构成，双色镜用于透过对应泵浦源的泵浦光，以将泵浦光输入高交叠效率直接液冷激光增益装置，双色镜还对激光进行全反射；经全反激光镜输出的激光经第一泵浦系统的双色镜全反射后，与第一泵浦系统的泵浦源的泵浦光共光路输入高交叠效率直接液冷激光增益装置，由高交叠效率直接液冷激光增益装置输出的激光经第二泵浦系统的双色镜反射后，经激光输出镜输出。
实施例四
本实施例公开了一种基于高交叠效率直接液冷激光增益装置的激光谐振腔，如图4所示，其包括高交叠效率直接液冷激光增益装置I、两套由泵浦源5和对应双色镜6构成的泵浦系统、全反激光腔镜7和激光输出镜9。激光谐振腔采用双端泵浦的方式，泵浦光8经过双色镜6导入激光谐振腔内，双色镜6的作用是泵浦光透过而激光全反射，从而实现激光与泵浦光共光路，泵浦光与激光共光路在增益装置I内按照高交叠效率方式传输，泵浦光8被增益介质2吸收，激光10经过增益介质后获得增益，最终激光10在谐振腔内多次反馈，获得足够的增益后经过输出镜9输出。本实施例中的交叠效率直接液冷激光增益装置I的结构参见实施例一和二，在此不再累述。
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 (6)

1.一种高交叠效率直接液冷激光增益装置，包括入射通光镜(1)、增益介质(2)、出射通光镜(1’)和激光冷却液(3)，所述增益介质(2)和激光冷却液(3)位于所述入射通光镜(1)和出射通光镜(1’)之间，所述增益介质(2)形成有冷却液流道，所述激光冷却液(3)流过所述冷却液流道以为所述增益介质(2)降温；其特征在于：
所述入射通光镜(1)的光出射面与所述出射通光镜(1’)的光入射面平行；
各增益介质(2)成阵列式排布，且均平行于所述入射通光镜(1)的光出射面；
所述入射通光镜(1)的光入射面和光出射面间的角度满足以下关系：
激光垂直于光入射面入射后，经过光出射面导入激光冷却液(3)中后，以激光冷却液(3)与增益介质(2)之间的布鲁斯特角导入增益介质(2)中；
所述入射通光镜(1)、出射通光镜(1’)和所述增益介质(2)之间的位置关系为：
任一从所述入射通光镜(1)的光入射面垂直入射并能经过各所述增益介质(2)的激光，均能通过所述出射通光镜(1’)；
各所述增益介质(2)的厚度d1和折射率n1、所述激光冷却液(3)的折射率n2和所述冷却液流道的宽度d2相互配合配置，增益介质(2)的入光面与底部的夹角α设计满足以下关系：
d1sin(θB-α)/sinθB＝d2sin(θB+α-π/2)/cosθB，
θB为激光冷却液(3)与增益介质(2)之间的布鲁斯特角，以使激光在所述增益介质(2)的光瞳折射偏移量(h1)与激光在所述激光冷却液(3)中的光瞳折射偏移量(h2)一致。
2.如权利要求1所述的高交叠效率直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述入射通光镜(1)的光入射面与所述出射通光镜(1’)的光出射面(D)平行。
3.如权利要求1或2所述的高交叠效率直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述入射通光镜(1)的顶面和底面平行，所述入射通光镜(1)的顶部、各所述增益介质(2)的顶部(c)和所述出射通光镜(1’)的顶部(C)共线；所述入射通光镜(1)的底部、各所述增益介质(2)的底部(a)和所述出射通光镜(1’)的底部(A)共线。
4.如权利要求1所述的高交叠效率直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述激光冷却液(3)为具有高热力学性能，且对激光波长和泵浦光波长无明显光吸收的液体。
5.如权利要求1所述的高交叠效率直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述冷却液流道的流向与所述入射通光镜(1)的光入射面的法向垂直。
6.一种高交叠效率直接液冷激光谐振腔，其特征在于，沿激光光路方向依次设置全反激光腔镜(7)、第一泵浦系统、如权利要求1～5任一所述的高交叠效率直接液冷激光增益装置(I)、第二泵浦系统和激光输出镜(9)；所述第一泵浦系统和所述第二泵浦系统均由泵浦源(5)和双色镜(6)构成，双色镜(6)用于透过对应泵浦源(5)的泵浦光(8)，以将泵浦光(8)输入高交叠效率直接液冷激光增益装置(I)，双色镜(6)还对激光进行全反射；经所述全反激光镜(7)输出的激光经所述第一泵浦系统的双色镜全反射后，与第一泵浦系统的泵浦源(5)的泵浦光(8)共光路输入所述高交叠效率直接液冷激光增益装置(I)，由所述高交叠效率直接液冷激光增益装置(I)输出的激光经所述第二泵浦系统的双色镜反射后，经所述激光输出镜(9)输出。
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