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Abstract

本发明公开了一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块，包括超声速喷管、固体激光增益介质薄片、第一石英窗口和第二石英窗口；其中使用超声速喷管产生的低温气体，流过固体增益介质薄片的表面实现换热。使用第一石英窗口和第二石英窗口与N块固体增益介质薄片，组成N+1个流道。固体激光增益模块可以采用端面泵浦的方式，也可以采用侧面泵浦的方式。本发明提供的固体激光增益模块具有换热设备结构简单，使用方便等优点。

Description

一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块及激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块及激光器。
背景技术
固体激光的增益介质产生的废热，会严重影响激光系统的输出功率、效率、光束质量和稳定性。发展新型的、更高效率的换热技术，对于高能固体激光具有重要的使用价值。近年以来发展了一种使用深冷气体冷却固体增益介质的新技术，通过增加气体与激光增益介质之间的温差，能够获得较大的换热通量。此外由于气体的热光系数小，冷却气体对激光器的光束质量影响很小。典型的激光系统如欧洲的DiPOLE激光系统，使用温度约150K的氦气直接冷却Yb:YAG薄片，实现了单脉冲能量100J、重复频率10Hz的激光输出。为了获得150KHe气，Dipole系统团队专门研制了一台换热装置，使用液氮对循环的He气进行制冷。该换热装置非常笨重，而且结构复杂。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块，旨在解决现有的气体冷却固体激光器使用的低温氦气设备结构复杂而且笨重的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块，包括超声速喷管、固体激光增益介质薄片、第一石英窗口和第二石英窗口；
所述的固体激光增益介质薄片的尺寸相同，形状为矩形，长度为L，宽度为W，厚度为H，数量为N，且N≥1，第1到N片固体激光增益介质薄片沿着厚度方向等间隔依次排列，且相互平行，间隔为G，第一石英窗口和第二石英窗口分别位于第1片和第N片固体激光增益介质薄片一侧，第一石英窗口位于第一片体激光增益介质薄片的上侧，第二石英窗口位于第N片体激光增益介质薄片的下侧，并且与固体激光增益介质薄片平行，间隔都为G，第一石英窗口、第二石英窗口和N片固体激光增益介质薄片共构成了N+1个流道，流道进口在激光增益介质薄片长度一侧，流道进口为矩形，尺寸为L×G，即矩形的长度等于激光增益介质薄片长度，矩形的宽度等于激光增益介质薄片之间的间距，流道长度为W；共使用N+1个超声速喷管，并且使N+1个超声速喷管的出口与第一石英窗口、第二石英窗口和N片固体激光增益介质薄片共构成的N+1个流道入口对准。
基于以上技术方案，优选的，所述的超声速喷管为单狭缝式喷管，狭缝长度为L，即狭缝长度等于激光增益介质薄片的长度，并且使超声速喷管的出口尺寸略小于流道入口尺寸。
基于以上技术方案，优选的，通过超声速喷管实现的气体流速达到1-5个马赫数，温度降到70K到240K之间，流经固体激光增益介质表面，通过对流换热，将固体激光增益介质产生的废热带走，实现对固体激光增益介质的冷却。
基于以上技术方案，优选的，所述的使用超声速低温气体冷却的固体激光器，所述组成固体激光增益介质薄片的固体激光增益介质为掺杂激活离子的激光晶体、激光陶瓷或者激光玻璃；激活离子为Nd3+、Yb3+、Er3+、Cr2+、Fe3+、Fe2+。
更进一步优选地，所述通过超声速喷管喷出的冷却气体为氦气、氮气、二氧化碳、干燥空气中的一种或其混合气体。
本发明另一方面提供一种固体激光器，所述固体激光器包括上述的固体激光增益模块。
基于以上技术方案，优选的，所述激光器包括泵浦源和沿着泵浦源激光入射方向依次设置的泵浦光整形系统、全反射镜、所述的固体激光增益模块、输出耦合镜。
基于以上技术方案，优选的，所述的泵浦源为半导体激光器，通过泵浦光整形系统，对泵浦源输出的光束进行整形，泵浦光整形系统是由透镜、柱镜和波导中的一种或者几种组成的光学系统，激光增益模块可以采用端面泵浦的方式，也可以采用侧面泵浦的方式。
有益效果
(1)本发明的固体激光增益模块使用多个增益介质薄片排列，实现对流换热，将固体激光增益介质产生的废热带走，实现对固体激光增益介质薄片的快速冷却。
(2)本发明发明的固体激光增益模块相比现有中的固体激光器使用的低温氦气冷却来说，价格更加低廉，储存容器体积小、换热设备结构简单，使用方便。
附图说明
图1为本发明固体激光增益模块的结构示意图；其中：1、气瓶；2、气体箱；3、超声速喷管；4、第一石英窗口；5、固体激光增益介质薄片；6、第二石英窗口；7、泵浦光整形系统；8、泵浦源；9、全反射镜；10、输出耦合镜。
图2超音速喷管出口处氮气温度随马赫数的变化曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明克服了现有气体冷却固体激光器使用的低温氦气昂贵，储存容器体积较大、结构复杂、使用不便等问题，提供了一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块。图1为本发明实施例提供的固体激光增益模块的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块，包括超声速喷管3、固体激光增益介质薄片5、第一石英窗口4和第二石英窗口6。
所述的固体激光增益介质薄片5的尺寸相同，形状为矩形，长度为4mm，宽度为4mm，厚度为2mm，数量为5，第1到5片固体激光增益介质薄片5沿着厚度方向等间隔依次排列，且相互平行，间隔为2mm，第一石英窗口4和第二石英窗口6分别位于第1片和第5片固体激光增益介质薄片5一侧，并且与固体激光增益介质薄片5平行，间隔都为2mm，第一石英窗口4、第二石英窗口6和5片固体激光增益介质薄片5共构成了6个流道，流道进口在激光增益介质薄片5长度一侧，流道入口尺寸为2mm×4mm，流道长度为4mm。
超声速喷管3为单狭缝式喷管，狭缝长度为4mm，共使用6个超声速喷管3，并且使6个超声速喷管3的出口与第一石英窗口4、第二石英窗口6和5片固体激光增益介质薄片共构成的6个流道入口对准，并且使超声速喷管3的出口尺寸略小于流道入口尺寸，通过超声速喷管3实现的气体流速达到1-4个马赫数，温度降到70K到240K之间，流经固体激光增益介质薄片5表面，通过对流换热，将固体激光增益介质5产生的废热带走，实现对固体激光增益介质薄片5的冷却。
泵浦源8为半导体激光器，通过泵浦光整形系统7，对泵浦源8输出的光束进行整形，泵浦光整形系统7是由透镜、柱镜和波导中的一种或者几种组成的光学系统，激光增益模块可以采用端面泵浦的方式。
6个超声速喷管3安装在气体箱2上，气体箱2通过管路与气瓶1连接。固体激光增益介质5为Yb:YAG薄片或者Nd:YAG薄片，气瓶1内的冷却气体为氮气。气瓶1内贮存10MPa压强氮气，温度为25摄氏度。其中，氮气的比热比约为1.59，那么超声速喷管3出口的氮气温度随马赫数的关系如图2所示。
在固体激光增益模块的第一石英窗口4、第二石英窗口6两侧，分别设置激光谐振腔的输出耦合镜10和全反射镜9。激光在输出耦合镜10和全反射镜9之间往复振荡放大，并通过输出耦合镜10输出激光。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体激光增益模块，其特征在于，包括超声速喷管、固体激光增益介质薄片、第一石英窗口和第二石英窗口；所述固体激光增益介质薄片为N片，N≥1，第1到N片固体激光增益介质薄片沿着厚度方向等间隔依次排列，且相互平行；所述第一石英窗口和第二石英窗口分别位于第1片和第N片固体激光增益介质薄片外侧，并且与固体激光增益介质薄片平行；所述第一石英窗口、N片激光增益介质薄片、第二石英窗口之间的间距相等；所述超声速喷管为N+1个；所述N+1个超声速喷管对应第一石英窗口、N片激光增益介质薄片、第二石英窗口组成的N+1个流道。
2.根据权利要求1所述的固体激光增益模块，其特征在于，所述流道进口在激光增益介质薄片长度一侧，流道进口的形状为矩形，矩形的长度等于激光增益介质薄片长度，矩形的宽度等于激光增益介质薄片之间的间距。
3.根据权利要求1所述的固体激光增益模块，其特征在于，所述的超声速喷管为单狭缝式喷管，狭缝长度等于激光增益介质薄片的长度，所述超声速喷管的出口尺寸小于流道进口的尺寸。
4.根据权利要求1所述的固体激光增益模块，其特征在于，所述超声速喷管喷出的气体流速为1-4个马赫数，温度为70K到240K。
5.根据权利要求1所述的固体激光增益模块，其特征在于，组成所述的固体激光增益介质薄片的激光增益介质为掺杂激活离子的激光晶体、掺杂激活离子的激光陶瓷或者掺杂激活离子的激光玻璃；所述激活离子为Nd3+、Yb3+、Er3+、Cr2+、Fe3+、Fe2+。
6.根据权利要求4所述的固体激光增益模块，其特征在于，所述的气体为氦气、氮气、二氧化碳、干燥空气中的一种或其混合气体。
7.一种固体激光器，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的固体激光增益模块。
8.根据权利要求7所述的固体激光器，其特征在于，所述激光器包括泵浦源和沿着泵浦源激光入射方向依次设置的泵浦光整形系统、全反射镜、所述的固体激光增益模块、输出耦合镜。
9.根据权利要求8所述的固体激光器，其特征在于，所述的泵浦源为半导体激光器，所述泵浦光整形系统是由透镜、柱镜和波导中的一种或者几种组成的光学系统。
10.根据权利要求8所述的固体激光器，其特征在于，所述激光增益模块可以采用端面泵浦或侧面泵浦的方式。
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