CN113972553B - 一种重频激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重频激光放大器，属于激光放大器技术领域，包括多个激光头、像传递组件和输入输出组件，所述激光头对应像传递组件的像面设置，对经输入输出组件注入的种子激光进行反射并增益放大，多个激光头依次串接级联且共用像传递组件，种子激光的光路与激光头端面法线的夹角为45度，种子激光经像传递组件在多个激光头之间传输完成多程增益放大，并经输入输出组件输出，本发明使用多个激光头串接级联放大，解决了激光头增益长度较短、单程增益较低的问题，实现小能量种子激光的高增益倍数放大。

Description

一种重频激光放大器

技术领域

本发明属于激光放大器技术领域，具体地说涉及一种重频激光放大器。

背景技术

重复频率运行、输出能量达数焦耳至数千焦耳的激光器是强激光与物质相互作用、惯性约束聚变研究和发展的关键,同时，其在工业、医疗领域中也具有广阔的应用前景。

大能量固体激光系统重复频率运行会造成热效应的累积,对激光系统的性能造成严重影响，是制约激光系统向高功率和高光束质量发展的重要因素。为了克服这些限制,采用高效的冷却结构与匹配的放大构型是实现激光系统在重复频率下获得大能量、高光束质量输出的重要技术途径。美国LLNL实验室的Mercury激光装置采用高速氦气冷却叠片式放大器结构与像传递四程放大构型，法国LuLi实验室的Lucia激光装置采用端面抽运背面冷却的0度激活镜放大器与V型提取多程放大构型，德国HZDR实验室采用与Mercury装置相似的叠片式结构,不同的是利用重水对介质表面进行冷却，日本大阪大学的HALNA激光装置采用侧面泵浦水冷板条放大器结构与zig-zag放大构型，现有装置存在以下缺陷：叠片放大器泵浦与冷却结构十分复杂；激活镜放大器单程增益较低，难以实现种子激光的有效放大；板条放大器光束质量较难控制。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种重频激光放大器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种重频激光放大器，包括多个激光头、像传递组件和输入输出组件，所述激光头对应像传递组件的像面设置，对经输入输出组件注入的种子激光进行反射并增益放大，多个激光头依次串接级联且共用像传递组件，种子激光的光路与激光头端面法线的夹角为45度，种子激光经像传递组件在多个激光头之间传输完成多程增益放大，并经输入输出组件输出。

进一步，所述激光头依次包括激光晶体、窗口片和激光二极管面阵，所述激光二级管面阵发射的泵浦光穿过窗口片对激光晶体进行泵浦。

进一步，所述激光晶体的前表面镀种子激光波长45度增透膜与泵浦光波长宽角度高反膜，其后表面镀种子激光波长45度高反膜与泵浦光波长宽角度增透膜，保证泵浦光高效吸收以及种子激光在激光晶体内45度增益放大，即种子激光45度反射通过激光晶体，所述激光晶体的前表面为激光晶体远离窗口片的表面。

优选的，所述激光晶体为Nd:YAG晶体。

进一步，所述激光晶体和窗口片之间设有冷却通道，所述冷却通道内注入冷却流体对激光晶体的后表面进行冷却。

进一步，所述窗口片的表面镀泵浦光波长宽角度增透膜。

优选的，所述窗口片为石英玻璃。

进一步，所述激光头还包括固定件，所述固定件对称设置形成容纳腔，用于放置激光晶体、窗口片和激光二极管面阵。

优选的，所述固定件为不锈钢材料，防止冷却流体腐蚀。

进一步，所述像传递组件包括透镜组、真空室和滤波小孔，所述透镜组包括同轴共轭设置的两个透镜，且透镜组和滤波小孔组成空间滤波器，所述滤波小孔位于真空室内。

进一步，所述输入输出组件包括偏振片、1/4波片和0度反射镜，种子激光经偏振片注入重频激光放大器，所述1/4波片和0度反射镜对应设置对种子激光进行反射，促使种子激光按原光路返回并在多个激光头之间传输完成多程增益放大，并经偏振片输出。

进一步，在相邻两次经过空间滤波器时，种子激光经过端面法线相垂直的2个激光头进行反射并增益放大。

进一步，所述激光头的个数为n，种子激光经像传递组件在n个激光头之间传输完成2n次增益放大。

进一步，所述激光头设有8个，种子激光经像传递组件在8个激光头之间传输完成16次增益放大。

进一步，所述激光头设有4个，种子激光经像传递组件在4个激光头之间传输完成8次增益放大。

进一步，所述激光头设有12个，种子激光经像传递组件在12个激光头之间传输完成24次增益放大。

本发明的有益效果是：

1、将激光二极管面阵抵近激光晶体，结构紧凑，易于调节，在热沉积较高的激光晶体的后表面进行冷却，解决了激光放大器重频工作的热管理问题，同时，种子激光45度反射通过激光晶体可以增加增益长度，降低激光通量，减小系统损伤风险。

2、使用多个激光头串接级联放大，解决了激光头增益长度较短、单程增益较低的问题，实现小能量种子激光的高增益倍数放大。

3、激光头对应像传递组件的像面设置，解决多程增益放大引入的波前畸变导致近场调制的问题。

4、采用共孔径像传递放大，多个激光头共用一个空间滤波器实现种子激光传输，节省了空间，减少器件数量，更有利于系统集成化。

5、激光头的位置可以按照激光放大器实际需求进行排布，实现更多或更少数量的激光头串接级联放大。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明另一种实施方式的结构示意图；

图4是本发明另一种实施方式的结构示意图；

图5是激光头的结构示意图。

附图中：100-像传递组件、200-激光头、300-输入输出组件；

101-透镜、102-滤波小孔、103-真空室；

201-激光晶体、202-冷却流体、203-窗口片、204-激光二极管面阵、205-固定件、206-第一激光头、207-第二激光头、208-第三激光头、209-第四激光头、210-第五激光头、211-第六激光头、212-第七激光头、213-第八激光头；

214-第九激光头、215-第十激光头、216-第十一激光头、217-第十二激光头；

218-第十三激光头、219-第十四激光头、220-第十五激光头、221-第十六激光头、222-第十七激光头、223-第十八激光头、224-第十九激光头、225-第二十激光头、226-第二十一激光头、227-第二十二激光头、228-第二十三激光头、229-第二十四激光头；

301-偏振片、302-1/4波片、303-0度反射镜。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种重频激光放大器，包括多个激光头200、像传递组件100和输入输出组件300，所述激光头200对应像传递组件100的像面设置，解决多程增益放大引入的波前畸变导致近场调制的问题，激光头200对经输入输出组件300注入的种子激光进行反射并增益放大，多个激光头200依次串接级联且共用像传递组件100，种子激光的光路与激光头200端面法线的夹角为45度，种子激光经像传递组件100在多个激光头200之间传输完成多程增益放大，并经输入输出组件输出。具体的，所述激光头200的个数为n，种子激光经像传递组件100在n个激光头200之间传输完成2n次增益放大。同时，激光头200的位置可以按照激光放大器实际需求进行排布，实现更多或更少数量的激光头200串接级联放大。

如图5所示，所述激光头200依次包括激光晶体201、窗口片203、激光二极管面阵204和固定件205，所述激光二级管面阵204发射的泵浦光穿过窗口片203对激光晶体201进行泵浦，将激光二极管面阵204抵近激光晶体201，结构紧凑，易于调节。

所述激光晶体201的前表面镀种子激光波长45度增透膜与泵浦光波长宽角度高反膜，其后表面镀种子激光波长45度高反膜与泵浦光波长宽角度增透膜，保证泵浦光高效吸收以及种子激光在激光晶体201内45度增益放大，即种子激光45度反射通过激光晶体201，可以增加增益长度，降低激光通量，减小系统损伤风险，所述激光晶体201的前表面为激光晶体201远离窗口片203的表面。

所述激光晶体201和窗口片203之间设有冷却通道，所述冷却通道内注入冷却流体202对激光晶体201的后表面进行冷却，在热沉积较高的激光晶体201的后表面进行冷却，解决了激光放大器重频工作的热管理问题。同时，所述窗口片203的表面镀泵浦光波长宽角度增透膜。

所述固定件205对称设置形成容纳腔，用于放置激光晶体201、窗口片203和激光二极管面阵204。优选的，所述固定件205为不锈钢材料，防止冷却流体202腐蚀。

所述像传递组件100包括透镜组、真空室和滤波小孔，所述透镜组包括同轴共轭设置的两个透镜101，且透镜组和滤波小孔102组成空间滤波器，所述滤波小孔102位于真空室103内。采用共孔径像传递放大，多个激光头200共用一个空间滤波器实现种子激光传输，节省了空间，减少器件数量，更有利于系统集成化。

所述输入输出组件300包括偏振片301、1/4波片302和0度反射镜303，种子激光经偏振片301注入重频激光放大器，所述1/4波片302和0度反射镜303对应设置对种子激光进行反射，促使种子激光在多个激光头200之间传输完成多程增益放大，并经偏振片301输出。

实施例二：

如图2所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述激光头设有8个，分别标记为第一激光头206、第二激光头207、第三激光头208、第四激光头209、第五激光头210、第六激光头211、第七激光头212、第八激光头213。

种子激光从偏振片301透射注入放大器，首先经过第一激光头206进行45度反射并增益放大，然后由像传递组件100传输至第二激光头207，经45度反射并增益放大后传输至第三激光头208进行45度反射并增益放大，第二激光头207与第三激光头208的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一水平面内，再次由像传递组件100传输至第四激光头209，后续以同样的传输方式依次经过第五激光头210、第六激光头211、第七激光头212、第八激光头213进行增益放大，第四激光头209与第五激光头210的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一竖平面内，第六激光头211与第七激光头212的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一水平面内，第一激光头206与第八激光头213相平行，到达1/4波片302与0度反射镜303，种子激光偏振态被旋转90度后按原光路返回，再次经过8个激光头增益放大，最后从偏振片301反射输出，也就是说，种子激光经像传递组件100在8个激光头之间传输完成16次增益放大。

本实施例中，激光晶体201是Nd:YAG晶体，尺寸为40mm×70mm×7mm，掺杂浓度为1at％。冷却流体202为去离子纯净水，温度为20℃，流体厚度为1mm。窗口片203为石英玻璃，表面镀808nm宽角度增透膜。激光二极管面阵204为中心波长808nm的激光二极管阵列，发光面尺寸为32mm×60mm，输出峰值功率为45kW。透镜101的焦距为1m，通光口径为7cm×7cm。能量为100mJ、口径30mm×30mm、波长1064nm、偏振态为P态的种子激光，经过8个激光头增益放大，最后从偏振片301反射输出，输出能量可达到10J以上，工作频率大于10Hz，光束质量优于5，放大器增益倍数大于100倍。

实施例三：

如图3所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述激光头设有4个，分别标记为第九激光头214、第十激光头215、第十一激光头216、第十二激光头217，种子激光从偏振片301透射注入放大器，首先经过第九激光头214进行45度反射并增益放大，然后由像传递组件100传输至第十激光头215，经45度反射并增益放大后传输至第十一激光头216进行45度反射并增益放大，且第十激光头215与第十一激光头216的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一水平面内，再次由像传递组件100传输至第十二激光头217进行45度反射并增益放大，且第九激光头214和第十二激光头217的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一水平面内，到达1/4波片302与0度反射镜303，种子激光偏振态被旋转90度后按原光路返回，再次经过4个激光头放大，最后从偏振片301反射输出，也就是说，种子激光经像传递组件100在4个激光头之间传输完成8次增益放大。

实施例四：

如图4所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述激光头设有12个，分别标记为第十三激光头218、第十四激光头219、第十五激光头220、第十六激光头221、第十七激光头222、第十八激光头223、第十九激光头224、第二十激光头225、第二十一激光头226、第二十二激光头227、第二十三激光头228、第二十四激光头229。

种子激光从偏振片301透射注入放大器，首先经过第十三激光头218进行45度反射并增益放大，然后由像传递组件100传输至第十四激光头219，经45度反射并增益放大后传输至第十五激光头220进行45度反射并增益放大，且第十四激光头219与第十五激光头220的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一水平面内，再次由像传递组件100传输至第十六激光头221，经45度反射并增益放大后传输至第十七激光头222进行45度反射并增益放大，第十六激光头221与第十七激光头222的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一竖平面内，再次由像传递组件100传输至第十八激光头223，经45度反射并增益放大后传输至第十九激光头224进行45度反射并增益放大，第十八激光头223与第十九激光头224的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一水平面内，再次由像传递组件100传输至第二十激光头225，经45度反射并增益放大后传输至第二十一激光头226进行45度反射并增益放大，第二十激光头225与第二十一激光头226的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一竖平面内，再次由像传递组件100传输至第二十二激光头227，经45度反射并增益放大后传输至第二十三激光头228进行45度反射并增益放大，第二十二激光头227与第二十三激光头228的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一水平面内，再次由像传递组件100传输至第二十四激光头229，第二十四激光头229与第十三激光头218的端面法线相垂直且两者的端面法线位于同一水平面内，经45度反射并增益放大后传输至1/4波片302与0度反射镜303，种子激光偏振态被旋转90度后按原光路返回，再次经过12个激光头放大，最后从偏振片301反射输出，也就是说，种子激光经像传递组件100在12个激光头之间传输完成24次增益放大。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种重频激光放大器，其特征在于，包括多个激光头、像传递组件和输入输出组件，所述激光头对应像传递组件的像面设置，对经输入输出组件注入的种子激光进行反射并增益放大，多个激光头依次串接级联且共用像传递组件，种子激光的光路与激光头端面法线的夹角为45度，种子激光经像传递组件在多个激光头之间传输完成多程增益放大，并经输入输出组件输出；

所述输入输出组件包括偏振片、1/4波片和0度反射镜，种子激光经偏振片注入重频激光放大器，所述1/4波片和0度反射镜对应设置对种子激光进行反射，促使种子激光按原光路返回并在多个激光头之间传输完成多程增益放大，并经偏振片输出。

2.根据权利要求1所述的一种重频激光放大器，其特征在于，所述激光头依次包括激光晶体、窗口片和激光二极管面阵，所述激光二级管面阵发射的泵浦光穿过窗口片对激光晶体进行泵浦。

3.根据权利要求2所述的一种重频激光放大器，其特征在于，所述激光晶体的前表面镀种子激光波长45度增透膜与泵浦光波长宽角度高反膜，其后表面镀种子激光波长45度高反膜与泵浦光波长宽角度增透膜，保证泵浦光高效吸收以及种子激光在激光晶体内45度增益放大。

4.根据权利要求3所述的一种重频激光放大器，其特征在于，所述激光晶体和窗口片之间设有冷却通道，所述冷却通道内注入冷却流体对激光晶体的后表面进行冷却。

5.根据权利要求4所述的一种重频激光放大器，其特征在于，所述窗口片的表面镀泵浦光波长宽角度增透膜。

6.根据权利要求3-5任一所述的一种重频激光放大器，其特征在于，所述激光头还包括固定件，所述固定件对称设置形成容纳腔，用于放置激光晶体、窗口片和激光二极管面阵。

7.根据权利要求6所述的一种重频激光放大器，其特征在于，所述像传递组件包括透镜组、真空室和滤波小孔，所述透镜组包括同轴共轭设置的两个透镜，且透镜组和滤波小孔组成空间滤波器，所述滤波小孔位于真空室内。

8.根据权利要求7所述的一种重频激光放大器，其特征在于，在相邻两次经过空间滤波器时，种子激光经过端面法线相垂直的2个激光头进行反射并增益放大。

9.根据权利要求8所述的一种重频激光放大器，其特征在于，所述激光头的个数为n，种子激光经像传递组件在n个激光头之间传输完成2n次增益放大。

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