CN111711054A - 一种新型激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型激光放大器，该方案包括由内至外依次设置的放大增益介质、增益介质定位块、方形密封条、循环水冷却箱、泵浦光反射器、反射器定位块、LD泵浦光源、LD泵浦光源冷却底座、外壳体顶板、外壳体底板、外壳体左右侧板和外壳体前后侧板。整个设计结构紧凑，实现了LD泵浦放大器模块小型化，减少了LD泵浦放大器模块在整个激光链路中的空间占比；再通过外部紧定螺钉挤压上下循环水冷却箱，从而压紧冷却箱和放大增益介质之间的方形密封条，实现密封。该设计使得放大增益介质在工作中能够得到有效冷却，同时保证良好的密封性。设计中还采取了横向宽度尽可能小的“L”型挡片，保证了增益介质4个侧边的有效通光面积。

Description

一种新型激光放大器

技术领域

本发明涉及的是高功率固体激光器领域，尤其是一种新型激光放大器。

背景技术

重频大能量脉冲激光光源在工业加工制造(激光冲击强化、激光冲击成形等)、国防、科研(重频飞秒激光泵浦源、百焦耳级重频皮秒激光、紫外负载损伤研究等)等领域有广泛的应用需求，是美国利弗莫尔国家实验室、法国里梅尔国家实验室、日本大阪大学激光工程中心，以及韩国、英国、中国等主要国家持续投入研究的热点。

大能量脉冲激光光源一般采取主振荡+功率放大(MOPA)或多程放大构型，包括种子光源、激光放大器、空间滤波器、集中控制与同步、隔离组件、波前控制、参数测量等分系统，其中激光放大器提供超过99％的能量与功率，是整个激光装置的核心部件。

现有的钕玻璃激光放大器存在仅能实现单次运行、增益较低、光束质量较差等问题，是制约整个激光装置高增益高光束质量重复频率运行的“瓶颈”，因此当前重频大能量脉冲激光光源的研究迫切需要一种增益能力强、重复频率运行，同时具备高光束质量的激光放大器。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种新型激光放大器的技术方案，该方案采用全新的放大器结构设计，能够解决钕玻璃激光放大器泵浦效率、增益能力、重复频率运行、高光束质量等技术问题。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种新型激光放大器，包括有泵浦光反射器、LD泵浦光源、放大增益介质和外壳体；放大增益介质固定在外壳体的中部；LD泵浦光源设置在放大增益介质的两侧；放大增益介质与LD泵浦光源之间设置有泵浦光反射器；外壳体为由外壳体顶板、外壳体底板、外壳体左右侧板以及外壳体前后侧板组成的中空的长方体结构；外壳体底板和外壳体顶板的内侧均设置有一个循环水冷却箱；放大增益介质、LD泵浦光源以及泵浦光反射器均夹在上、下两个循环水冷却箱之间；外壳体前后侧板设置有用于使放大增益介质发出的光束射出的通光口。

作为本方案的优选：LD泵浦光源的侧面设置有紧密贴合的LD泵浦光源冷却底座；LD泵浦光源冷却底座固定在外壳体左右侧板上；LD泵浦光源冷却底座设置有LD泵浦模块进水口接插件和LD泵浦模块出水口接插件；外壳体左右侧板上设置有用于通过LD泵浦模块进水口接插件和LD泵浦模块出水口接插件的通孔。

作为本方案的优选：循环水冷却箱靠近放大增益介质的一面设置有矩形框；矩形框与放大增益介质密封接触；循环水冷却箱靠近外壳体顶板或外壳体侧板的一面设置有长条形凹槽，凹槽内设置有聚四氟乙烯条；上下两个所述循环水冷却箱通过外壳体顶板和外壳体底板上设置的紧定螺钉相互压紧；紧定螺钉与聚四氟乙烯条接触。

作为本方案的优选：矩形框的外边框的长边尺寸大于放大增益介质，短边尺寸与放大增益介质相同。

作为本方案的优选：矩形框的表面设置有U型槽；U型槽内装配有方形密封条。

作为本方案的优选：矩形框的长边上设置有增益介质定位块和定位销螺钉；增益介质定位块包括圆形下沉孔部分和L型挡片部分；圆形下沉孔部分用于与定位销螺钉间隙配合；L型挡片部分用于对放大增益介质进行限位。

作为本方案的优选：泵浦光反射器通过反射器定位块固定在外壳体底板上。

作为本方案的优选：循环水冷却箱的左侧面设置有冷却箱进水口接插件、右侧面设置有冷却箱出水口接插件；外壳体左右侧板上设置有用与冷却箱进水口接插件和冷却箱出水口接插件通过的通孔。

作为本方案的优选：循环水冷却箱内部焊接有支撑块，支撑块长宽尺寸与循环水冷却箱内部截面的长宽尺寸一致；支撑块设计有4个用于冷却水流通顺畅的圆形过水孔。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案设计结构紧凑，实现了LD泵浦放大器模块小型化，减少了LD泵浦放大器模块在整个激光链路中的空间占比；该设计利用上下循环水冷却箱夹住放大增益介质，再通过外部紧定螺钉挤压上下循环水冷却箱，从而压紧冷却箱和放大增益介质之间的方形密封条，实现密封。该设计使得放大增益介质在工作中能够得到有效冷却，同时保证良好的密封性；此外，通过设计紧定螺钉在循环水冷却箱上的着力点落在支撑块圆形孔间隙正上方的位置，防止冷却箱因紧定螺钉的压紧力而损坏，增加了整个放大器的可靠性；设计中还通过具有“L”型挡片的定位块限制放大增益介质沿“L”型挡片表面法线方向的位移，从而实现放大增益介质的定位；设计中采取了横向宽度尽可能小的“L”型挡片，保证了增益介质4个侧边的有效通光面积。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1是本发明的各组件爆炸示意图。

图2是本发明组装完成后的结构示意图。

图3是放大增益介质与冷却箱的安装示意图。

图4是增益介质定位块的结构图。

图5是循环水冷却箱的结构图。

图6是冷却箱与外壳体顶板、底板和侧板的安装示意图。

图7是泵浦光反射器的结构图。

图8是泵浦光反射器与外壳体底板的安装示意图。

图9是LD泵浦模块的结构图。

图10是LD泵浦模块与放大器侧板的安装示意图。

1为外壳体顶板；2为循环水冷却箱；3为泵浦光反射器；4为LD泵浦光源；5为LD泵浦光源冷却底座；6为外壳体左右侧板；7为外壳体前后侧板；8为外壳体底板；9为增益介质定位块；10为方形密封条；11为放大增益介质；12为反射器定位块；13-1为冷却箱进水口接插件；13-2为冷却箱出水口接插件；14为聚四氟乙烯条；15为紧定螺钉；16为矩形框；17-1为LD泵浦模块进水口接插件；17-2为LD泵浦模块出水口接插件。

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、摘要和附图)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。

由图1-图10所示，本方案包括由内至外依次设置的放大增益介质、增益介质定位块、方形密封条、循环水冷却箱、泵浦光反射器、反射器定位块、LD泵浦光源、LD泵浦光源冷却底座、外壳体顶板、外壳体底板、外壳体左右侧板和外壳体前后侧板。

放大增益介质为长方体外形，其上下表面为正方形，四周侧面为长方形，放大增益介质被夹在上下循环水冷却箱中间，利用冷却箱中的循环水接触放大增益介质的表面进行冷却，再通过循环水冷却箱压紧方形密封条实现密封；方形密封条边长尺寸小于增益介质边长尺寸，方形密封条的4个直角处由圆角平滑过渡，方形密封条横截面为一正方形；循环水冷却箱材质为不锈钢，内部为中空结构，在其左侧面开设有2个圆形进水孔，右侧面开设2个圆形出水孔，分别与水密接插件连接。循环水冷却箱上表面的中间部位开设有正方形窗口，尺寸小于方形密封条；正方形窗口处焊接矩形框，其内边框为正方形，尺寸与冷却箱方形窗口一致。其外边框的长边尺寸大于增益介质，短边尺寸与增益介质边长相等；矩形框上表面开设正方形U型槽，与方形密封条为过盈配合。矩形框上表面的4个角分别开设圆形通孔，用于安装紧固螺栓。方形框的两个长侧面分别开设2个螺纹孔用于安装增益介质定位块和定位销螺钉；增益介质定位块包括1个圆形下沉孔部分和“L”型挡片部分。圆形下沉孔部分用于与定位销螺钉间隙配合。定位销螺钉的螺帽直径介于下沉孔大孔径和小孔径之间，螺帽下侧设置销柱段和螺纹段，销柱段和螺纹段直径小于下沉孔小孔径；“L”型挡片部分与增益介质的相邻两侧面紧密贴合，限制增益介质沿“L”型挡片表面法线方向的位移。“L”型挡片横向宽度尽可能小，以保证增益介质4个侧边的有效通光面积。

进一步的，泵浦光反射器由进光口、出光口、上反射板、下反射板和两个侧反射板组成。4块反射板共同组成框体结构，空余的两个面分别为进光口和出光口。反射板形成的框架内部空间为棱台，进光口为棱台底面，出光口为棱台顶面，出光口附近的反射板边缘设计倒角；

进一步的，上、下反射板的2个短边侧面各开设2个螺纹孔，侧反射板上表面4角处开设4个下沉孔，定位销螺钉通过侧反射板的下沉孔与上下反射板的螺纹孔精密配合。侧反射上表面还开设2个螺纹孔，用于与反射器定位块固定；反射器定位块为一“凸”型结构，表面和两侧分别开设2个下沉孔。反射器定位块通过表面的2个下沉孔和定位销螺钉与侧反射板的2个螺纹孔固定，再通过两侧的2个下沉孔和定位销螺钉与外壳体底板固定，从而实现泵浦光反射器的定位。

进一步的，LD泵浦模块为标准件，由LD泵浦光源和LD泵浦光源冷却底座组成。LD泵浦光源冷却底座侧边设计有进、出水孔，且与水密接插件(LD泵浦模块进水口接插件17-1和LD泵浦模块出水口接插件17-2)相连；进一步的，LD泵浦光源冷却底座开设6个下沉孔，LD泵浦光源通过中间2个下沉孔和定位销螺钉与LD泵浦光源冷却底座固定，LD泵浦光源冷却底座再通过其余4个下沉孔和定位销螺钉与放大器前或后侧板固定；水密接插件为标准件。

进一步的，所述放大器侧板包括前、后、左、右4块侧板，每块侧板上开设相应的螺钉安装孔，侧板与侧板之间通过螺钉连接；进一步的，所述前后侧板除了螺钉安装孔外，在其表面中心位置设计有矩形通光口。所述矩形通光口尺寸略大于放大增益介质侧面尺寸；所述左、右侧板除了螺钉安装孔外，在其表面中心位置设计有长条形矩形孔，矩形孔四周分别开设有2个圆形孔。矩形孔用于与LD泵浦模块配合，圆形孔用于水密接插件穿透。

进一步的，所述外壳体顶板和底板表面中心位置设计有6个螺纹孔，按2×3排列，用于安装紧定螺钉。通过外壳体顶板和底板的紧定螺钉压紧放大器内部的上下循环水冷却箱，从而压紧循环水冷却箱和放大增益介质之间的方形密封条，实现密封。

进一步的，循环水冷却箱的上表面开设2个长条形矩形槽，用于安装聚四氟乙烯条。所述紧定螺钉尖端与聚四氟乙烯条接触，以防止循环水冷却箱表面被紧定螺钉破坏。

进一步的，所述循环水冷却箱内部焊接有支撑块，支撑块长宽尺寸与循环水冷却箱内部截面的长宽尺寸一致。所述支撑块设计有4个圆形过水孔，以保证循环冷却水的流通顺畅；进一步的，紧定螺钉在循环水冷却箱上的着力点设计在支撑块圆形孔间隙正上方的位置。

进一步的，外壳体前后侧板、顶板和底板的厚度相对左右侧板的厚度更厚，以承受紧定螺钉的压紧力。

如图5所示，循环水冷却箱2采用不锈钢板焊接而成，循环水冷却箱2两端各开设2个圆形孔作为进、出水口，分别与接插件13-1和13-2相连。循环水冷却箱2上表面不锈钢板通过车铣加工2个长条形凹槽，用于装配聚四氟乙烯条14，下表面的中间部位通过车铣加工出正方形窗口，然后在正方形窗口处焊接一个矩形框16。矩形框16内边框为正方形，尺寸与冷却箱2正方形窗口一致，外边框的长边尺寸大于放大增益介质11，短边尺寸与放大增益介质11边长相等。矩形框16表面车铣加工出正方形U型槽，用于装配方形密封条10。此外，矩形框16的4个角处开设4个下沉孔，用于装配螺栓。

如图3所示，为保障放大增益介质11与循环水冷却箱2之间的密封性，设计中使用两个循环水冷却箱2，一上一下，中间夹住放大增益介质11，然后在循环水冷却箱2上面的矩形框16装配的方形密封条10，通过螺栓锁紧两个循环水冷却箱2以实现密封。

为使放大增益介质11精确地安装在两个循环水冷却箱2中，本发明设计了4个增益介质定位块9。增益介质定位块9采用铝合金材质，通过定位销螺钉固定在循环水冷却箱2的矩形框15的侧面。其限位部分设计为“L”型挡片，如图4所示，分别与放大增益介质11的相邻两侧面紧密贴合，限制放大增益介质11沿“L”型挡片表面法线方向的位移。“L”型挡片部分采取了较小的横向宽度，以保证放大增益介质11在侧边的有效通光面积。

泵浦光由LD泵浦光源4产生，如图9所示。本发明采用4个LD泵浦光源模块，2个为一组分别位于放大器的两端。同一组LD泵浦光源4的两个出光面横向排列，组成的出光面积与泵浦光反射器3的进光口相匹配。此外，LD泵浦光源4在工作过程中通过水冷方式冷却，进、出水口在LD泵浦光源冷却底座5上，进出水管通过水密接插件17-1和17-2连接。LD泵浦光源4和LD泵浦光源冷却底座5通过长螺钉固定为一体，组成泵浦模块，然后螺钉穿过LD泵浦光源冷却底座5底部面的4个螺纹孔与放大器前、后侧板7固定，如图10所示。LD泵浦模块与放大器左、右侧板6的安装关系为：LD泵浦光源冷却底座5上的水密接插件17-1和17-2穿过放大器左、右侧板6上的圆形孔，LD泵浦光源4后部分穿过放大器左、右侧板6上的矩形孔。

如图7所示，泵浦光反射器3采用铝合金材料，由4块铝合金板组成，通过螺钉装配成框架结构，并在一端进行倒角。泵浦光反射器3的铝合金板内表面涂高折射率材料。泵浦光反射器3和反射器定位块12之间通过螺钉连接，然后通过螺钉固定在外壳体底板8上，如图8所示。反射器定位块12采用铝合金材料加工而成。

放大器外壳由6块铝合金板组成，外壳体顶板1、外壳体底板8、放大器前、后侧板7和放大器左、右侧板6。每块铝合金板在其表面或侧面开设螺纹孔，6块铝合金板通过螺钉拼接。外壳体顶板1和外壳体底板8横截面为“π”型截面，通过车铣加工而成，如图6所示。循环水冷却箱2与“π”型截面为精密配合，通过卡合的方式实现安装，以限制循环水冷却箱2沿“π”型截面平行方向的位移。放大器前、后侧板7中间位置开设矩形通光口，用于通光。放大器左、右侧板6开设矩形孔和圆形孔，用于与LD泵浦光源4和LD泵浦光源冷却底座5的安装。

进一步的，外壳体顶板1、外壳体底板8、放大器左、右侧板6和放大器前、后侧板7以及泵浦光反射器3的4块铝合金板进行表面处理，采用本色阳极化处理工艺，在表面形成致密氧化膜，达到防氧化的作用。

本发明的工作原理与工作过程：首先完成循环水冷却箱2和放大增益介质11的组装，先聚四氟乙烯条14粘贴在循环水冷却箱2的长条形凹槽内，再将方形密封条10压入矩形框16上的方形凹槽；然后将放大增益介质11平放在方形密封条10上，通过螺钉将增益介质定位块9与方形框6进行固定，从而实现放大增益介质的定位；然后将另一个循环水冷却箱2按上述方法安装好方形密封条10，再将其整体平压在放大增益介质11的上表面；然后将螺栓穿过两个循环水冷却箱2的矩形框6上的螺孔，加上螺母拧紧配合；再将水密接插件13-1和13-2通过旋合的方式与循环水冷却箱2进行装配；完成循环水冷却箱2和放大增益介质11的组装后，将循环水冷却箱2放入外壳体底板8的“π”型槽内；

其次将泵浦光反射器3的4块反射板通过螺钉进行组装，完成两套泵浦光反射器3模块的组装。然后通过螺钉将反射器定位块12与每个泵浦光反射器3的两侧配合，再通过螺钉将反射器定位块12安装在外壳体底板8上面，完成两套泵浦光反射器3模块与外壳体底板8的组装；

然后通过螺钉对LD泵浦光源4和LD泵浦光源冷却底座5进行装配，将水密接插件17-1和17-2通过旋合的方式与LD泵浦光源冷却底座5进行装配；完成4套LD泵浦模块组装后，再通过螺钉将每套LD泵浦模块安装在放大器前、后侧板7上；然后将放大器前、后侧板7通过螺钉安装在外壳体底板8上，完成之后再盖上外壳体顶板1，将外壳体顶板1的“π”型槽与上部的循环水冷却箱2贴合；

最后将放大器左、右侧板6穿过水密接插件13-1、13-2、17-1和17-2，再通过螺钉与外壳体顶板1、外壳体底板8以及放大器前、后侧板7固定，完成放大器外壳的组装。然后将12颗紧定螺钉15装在外壳体顶板1和外壳体底板8上，通过适当拧紧完成最终的密封。

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 (9)

1.一种新型激光放大器，其特征是：包括有泵浦光反射器、LD泵浦光源、放大增益介质和外壳体；所述放大增益介质固定在外壳体的中部；所述LD泵浦光源设置在放大增益介质的两侧；所述放大增益介质与LD泵浦光源之间设置有泵浦光反射器；所述外壳体为由外壳体顶板、外壳体底板、外壳体左右侧板以及外壳体前后侧板组成的中空的长方体结构；所述外壳体底板和外壳体顶板的内侧均设置有一个循环水冷却箱；所述放大增益介质、LD泵浦光源以及泵浦光反射器均夹在上、下两个循环水冷却箱之间；所述外壳体前后侧板设置有用于使放大增益介质发出的光束射出的通光口。

2.根据权利要求1所述的一种新型激光放大器，其特征是：所述LD泵浦光源的侧面设置有紧密贴合的LD泵浦光源冷却底座；所述LD泵浦光源冷却底座固定在外壳体左右侧板上；所述LD泵浦光源冷却底座设置有LD泵浦模块进水口接插件和LD泵浦模块出水口接插件；所述外壳体左右侧板上设置有用于通过LD泵浦模块进水口接插件和LD泵浦模块出水口接插件的通孔。

3.根据权利要求1所述的一种新型激光放大器，其特征是：所述循环水冷却箱靠近放大增益介质的一面设置有矩形框；所述矩形框与放大增益介质密封接触；所述循环水冷却箱靠近外壳体顶板或外壳体侧板的一面设置有长条形凹槽，凹槽内设置有聚四氟乙烯条；上下两个所述循环水冷却箱通过外壳体顶板和外壳体底板上设置的紧定螺钉相互压紧；所述紧定螺钉与聚四氟乙烯条接触。

4.根据权利要求3所述的一种新型激光放大器，其特征是：所述矩形框的外边框的长边尺寸大于放大增益介质，短边尺寸与放大增益介质相同。

5.根据权利要求4所述的一种新型激光放大器，其特征是：所述矩形框的表面设置有U型槽；所述U型槽内装配有方形密封条。

6.根据权利要求3所述的一种新型激光放大器，其特征是：所述矩形框的长边上设置有增益介质定位块和定位销螺钉；所述增益介质定位块包括圆形下沉孔部分和L型挡片部分；所述圆形下沉孔部分用于与定位销螺钉间隙配合；所述L型挡片部分用于对放大增益介质进行限位。

7.根据权利要求1所述的一种新型激光放大器，其特征是：所述泵浦光反射器通过反射器定位块固定在外壳体底板上。

8.根据权利要求1所述的一种新型激光放大器，其特征是：所述循环水冷却箱的左侧面设置有冷却箱进水口接插件、右侧面设置有冷却箱出水口接插件；所述外壳体左右侧板上设置有用与冷却箱进水口接插件和冷却箱出水口接插件通过的通孔。

9.根据权利要求3所述的一种新型激光放大器，其特征是：所述循环水冷却箱内部焊接有支撑块，支撑块长宽尺寸与循环水冷却箱内部截面的长宽尺寸一致；所述支撑块设计有4个用于冷却水流通顺畅的圆形过水孔。

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