CN114883903B - 基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，涉及高能激光技术领域。所述高功率激光装置包括：种子源、用于对主激光增益放大和对增益介质产热进行冷却的多个串联的复合增益模块、偏振反射镜和用于偏振态选择的偏振选择单元；所述种子源提供的主激光与复合增益模块中的泵浦源提供的泵浦光非共路。与现有技术相比，多个增益模块的串联可实现高功率的激光放大，且主激光与泵浦光不是严格共路，因此光路中无须设置泵浦光和主激光的分色镜，极大地降低了系统的复杂程度，增加了系统的稳定性，热致像差较小，保证了输出激光具有较好的光束质量，在实现有效热管理的同时极大地提高了系统的紧凑度，大幅度减小了系统体积和重量。

Description

基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置
技术领域
本发明涉及高能激光技术领域，尤其是公开了一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置。
背景技术
高功率固体激光器以其输出能量大、峰值功率高、可靠性高、使用寿命长的优势，广泛应用于工业、医疗、科研、国防等领域。随着工业加工、军事国防等领域对激光器的需求增加，对激光器的功率、光束质量、体积和重量等指标提出了更高的要求。常规的固体激光器结构，如薄片激光器、板条激光器等，已经很难再功率体积（重量）比上满足新的需求。同时，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。现有技术中为了实现直接液冷激光装置的小型化和规避双色镜等因素，通常选用侧面泵浦方式（即泵浦方向与激光通光方向正交），但是缺点在于侧面泵浦的负指数吸收效应势必会在激光通光方向引入较为复杂的像差，从而影响整个系统的光束质量。因此有必要设计出一种可同时实现高光束质量且保持系统紧凑的直接液冷激光装置。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供了一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，在实现高功率激光输出和有效热管理的同时实现激光器的超紧凑化和小型化。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，包括：种子源19、用于对主激光增益放大和对增益介质产热进行冷却的多个串联的复合增益模块、偏振反射镜13和用于偏振态选择的偏振选择单元；
所述种子源19提供的主激光与复合增益模块中的泵浦源8提供的泵浦光非共路。
所述复合增益模块的个数为偶数个，且至少有两个增益模块共用一个偏振选择单元实现流向相反的光路串联。
所述复合增益模块包括：装置外框1、主激光透射窗口2、主激光反射窗口3、至少一片复合增益介质单元5、匀化格栅6、泵浦源8以及冷却微流道9；
位于主激光反射窗口3一侧的泵浦源8发出的泵浦光7经过主激光反射窗口3导入复合增益模块中，经过复合增益介质单元5的吸收后获得激光增益；同时，激光冷却液4经过匀化格栅6对流场进行匀化后流入复合增益介质单元5之间的冷却微流道9，将热量带走后流出复合增益介质单元5。
所述复合增益介质单元5由增益介质10和荧光吸收介质11组成，其中增益介质10和荧光吸收介质11通过键合方式连接。
所述偏振选择单元包括位于复合增益模块主激光透射窗口2一侧的偏振反射镜13和四分之一波片15，所述偏振反射镜13与四分之一波片15共同作用实现偏振态选择。
在偏振选择单元中，当p/s偏振光通过一次该四分之一波片15后即变成圆偏振光，该圆偏振光再次通过四分之一波片15后则变成相反偏振态的s/p偏振光。
所述激光装置的工作过程为：种子源19输出一束p偏振光12透射经过偏振反射镜13，再经过四分之一波片15后变成圆偏振光16，圆偏振光16经过主激光透射窗口2进入第一级复合增益模块中，经过多片复合增益介质单元5的光放大后达到主激光反射窗口3，经过主激光反射窗口3的反射后再次通过多片复合增益介质单元5进一步获得光放大，并经主激光透射窗口2导出；导出的经过放大后的圆偏振光16再次经过四分之一波片15后变成s偏振光14，完成第一级的偏振选择和放大；之后经过第一级复合增益模块放大的s偏振光14继续通过下一级偏振反射镜13的反射后进入下一个复合增益模块，并重复与前一级同样的偏振选择进一步获得逐级激光放大，如此反复，最终通过串联的复合增益模块完成全部的激光放大，获得最终的p偏振态的输出激光17。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明重点采用了偏振反射镜与四分之一波片的结合实现了对进入直接液冷激光增益模块的偏振态选择，不同的偏振态激光在光路中传输为实现多个激光模块的串联奠定基础，多个增益模块的串联可实现高功率的激光放大。同时主激光与泵浦光并不是严格共路，因此的激光光路中无须设置泵浦光和主激光的分色镜，极大地降低了系统的复杂程度，增加了系统的稳定性。另外，本发明的串联直接液冷激光增益装置的高功率定标放大可通过增加串联的增益模块数量和增加增益介质面积实现，从而获得有效的高功率激光输出。本发明的串联直接液冷激光增益装置具有热管理均匀、同时面泵浦可实现均匀的产热，热致像差较小，保证了输出激光具有较好的光束质量，在实现有效热管理的同时极大地提高了系统的紧凑度，大幅度减小了系统体积和重量。
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是本发明的一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置的增益模块；
图2是本发明的激光增益装置中涉及的复合增益介质单元结构示意图；
图3是本发明的一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光谐振腔；
图4是本发明的一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光放大装置。
图中：1、装置外框，2、主激光透射窗口，3、主激光反射窗口，4、激光冷却液，5、复合增益介质单元，6、匀化格栅，7、泵浦光，8、泵浦源，9、冷却微流道，10、增益介质，11、荧光吸收介质，12、p偏振光，13、偏振反射镜，14、s偏振光，15、四分之一波片，16、圆偏振光，17、输出激光，18、激光输出镜，19、种子源，20、激光全反镜。
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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，图1为一种用于串联直接液冷高功率激光装置中的复合增益模块。所述复合增益模块包括：装置外框1、主激光透射窗口2、主激光反射窗口3、至少一片复合增益介质单元5、匀化格栅6、泵浦源8以及冷却微流道9。
在复合增益模块内，所述主激光透射窗口2主要用于主激光的透射，同时针对泵浦光波长镀反射的膜层，实现对泵浦光的反射；所述主激光反射窗口3主要用于主激光的反射，同时针对泵浦光波长镀增透的膜层，实现对泵浦光的高透射。
图2是前述复合增益模块中的复合增益介质单元5的端面示意图，具体而言，复合增益介质单元5由增益介质10和荧光吸收介质11组成，其中增益介质10和荧光吸收介质11通过键合方式连接。
所述荧光吸收介质11用于吸收增益介质10横向自发辐射放大可能产生的荧光，防止在增益介质10内产生自激振荡效应，同时还进一步对流场进行匀化，保证在增益介质10段中流场的层流特性。
所述增益介质10可以为晶体、陶瓷以及玻璃材料等。
在一个复合增益模块内可设置多片复合增益介质单元5，多片复合增益介质单元5之间形成了若干冷却微流道9，该冷却微流道9用于激光冷却液4的流通。
作为优选实施例，如图1所示，由于排列位置不同导致各片复合增益介质单元5与泵浦源8的距离有所不同，进而会导致不同距离的复合增益介质单元5对光的吸收也不同。因此为了保证各片复合增益介质单元5之间的产热基本相同，可以将不同位置处的增益介质10设置不同的离子掺杂浓度。以图1中所示意的多片复合增益介质单元5的排列方式作为示意，按照图上从下至上的方向各片复合增益介质10的离子掺杂浓度逐渐增大。在实际应用中，具体离子掺杂浓度参数值的设置可以根据环境参数、应用指标等进行适应性设置。
同时为了保证增益介质的均匀产热，本实施例中采用增益介质大面泵浦的方式进行泵浦。
该复合增益模块的工作原理是：位于主激光反射窗口3一侧的泵浦源8发出的泵浦光7经过主激光反射窗口3导入复合增益模块中，经过复合增益介质单元5的吸收后获得激光增益；同时，激光冷却液4经过匀化格栅6对流场进行匀化后流入复合增益介质单元5之间的冷却微流道9，将热量带走后流出复合增益介质单元5，从而实现对增益介质产热的冷却。
实施例2
图3是本发明实施例提供的一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光谐振腔的示意图。
该激光谐振腔包括谐振腔单元、偏振选择单元和如前述实施例描述的复合增益模块，主要用于获得激光输出。所述激光谐振腔包括稳腔、非稳腔、介稳腔等。
所述谐振腔单元包括位于复合增益模块的主激光透射窗口2一侧的激光全反镜20和激光输出镜18。
在一个实施例中当复合增益模块数量为多个，例如图3所示存在4个复合增益模块进行串联的情况下，所述激光全反镜20位于第一级复合增益模块的主激光透射窗口2的一侧，并用于对主激光进行全反射；所述激光输出镜18位于最后一级复合增益模块的主激光透射窗口2的一侧，并用于输出最终得到的输出激光17。
所述偏振选择单元包括位于复合增益模块主激光透射窗口2一侧的偏振反射镜13和四分之一波片15。在激光谐振腔中，偏振反射镜13与四分之一波片15共同作用实现偏振态选择。
在偏振选择单元中，将四分之一波片15设置在复合增益模块的主激光透射窗口2前，用于实现线偏振光和圆偏振光的转化。具体而言，当p偏振光通过一次该四分之一波片15后即变成圆偏振光，该圆偏振光再次通过四分之一波片15后则变成相反偏振态的s偏振光，同理对于s偏振光的偏振状态变化亦是如此。
另一方面，在四分之一波片15前还相应设置偏振反射镜13，其目的在于实现p偏振光的透射和s偏振光的反射。
作为优选实施例所述复合增益模块数量为偶数个，对应的，将两个复合增益模块进行同向串联做为一组，每两组复合增益模块在流向相反的情况下共用一个偏振反射镜13实现串联。
具体而言，在例如图3所示存在4个复合增益模块进行串联的情况下，两个复合增益模块进行流向相同的串联分别得到第一组复合增益模块和第二组复合增益模块，然后将第一组增益模块和第二组复合增益模块进行流向相反的非共路放置。此时，中间级的两个复合增益模块可以相对放置并共用一个偏振反射镜13，使得从上一级偏振反射镜13射出的偏振光在共用偏振反射镜13的光路上两次经过该共用的偏振反射镜13，最终完成激光的偏振选择和增益放大，并传送至下一级激光增益模块。这种共用偏振反射镜13的模式也适用于更多个复合增益模块进行串联的情况下的中间级模块。
如此组合使得所述偏振选择单元可以对进入直接液冷激光复合增益模块的激光偏振态进行选择，利用不同的偏振态激光在光路中传输从而为实现多个激光模块的串联奠定基础。
如图3所示的多级增益模块串联型的直接液冷高功率激光谐振腔的整体光路结构工作原理为：对于第一级复合增益模块，激光谐振腔内p偏振光12透射经过偏振反射镜13，再经过四分之一波片15后变成圆偏振光16，圆偏振光16经过主激光透射窗口2进入复合增益模块中，经过多片复合增益介质单元5的光放大后达到主激光反射窗口3，经过主激光反射窗口3的反射后再次通过多片复合增益介质单元5进一步获得光放大，并经主激光透射窗口2导出；导出的经过放大后的圆偏振光16再次经过四分之一波片15后变成s偏振光14。此时，经过第一级复合增益模块放大的s偏振光14继续通过下一级的偏振反射镜13的反射后进入下一级复合增益模块，并重复与前一级同样的偏振选择进一步获得激光放大。如此反复，使得激光在谐振腔内多次振荡达到出光阈值后获得最终的输出激光17并从激光输出镜18输出。
实施例3
图4是本发明实施例提供的一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光放大器装置的示意图。
该激光放大器装置包括：种子源19、如前述实施例描述的复合增益模块和偏振选择单元，主要采用激光放大的方式获得激光输出。所述放大器包括各种主振荡级放大器、再生放大器等。
所述种子源19位于复合增益模块主激光透射窗口2一侧，用于提供激光放大器的种子光源。
所述激光放大器装置的放大工作过程为：种子源19输出一束p偏振光12透射经过偏振反射镜13，再经过四分之一波片15后变成圆偏振光16，圆偏振光16经过主激光透射窗口2进入第一级复合增益模块中，经过多片复合增益介质单元5的光放大后达到主激光反射窗口3，经过主激光反射窗口3的反射后再次通过多片复合增益介质单元5进一步获得光放大，并经主激光透射窗口2导出；导出的经过放大后的圆偏振光16再次经过四分之一波片15后变成s偏振光14，完成第一级的偏振选择和放大。之后经过第一级复合增益模块放大的s偏振光14继续通过下一级偏振反射镜13的反射后进入下一级复合增益模块，并重复与前一级同样的偏振选择进一步获得逐级激光放大。如此反复，最终通过串联的偶数个复合增益模块完成全部的激光放大，获得最终的输出激光17，并从最后一级复合增益模块的偏振反射镜13保持p偏振态输出。
与现有技术相比，本发明实施例中提供的增益模块和激光系统创新性地重点采用了偏振反射镜与四分之一波片的结合实现了对进入直接液冷激光增益模块的偏振态选择，不同的偏振态激光在光路中传输为实现多个增益模块的串联奠定基础，多个增益模块的串联可实现高功率的激光放大。通过如上所述基于偏振选择和多个复合增益模块串联的光路结构设计，能够使主激光与泵浦光并不是严格共路，因此该激光光路中无须设置泵浦光和主激光的分色镜，极大地降低了系统的复杂程度，增加了系统的稳定性，并实现高功率的激光输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
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。

Claims (6)

1.一种基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，其特征在于，所述高功率激光装置包括：种子源(19)、用于对主激光增益放大和对增益介质产热进行冷却的多个串联的复合增益模块、用于偏振态选择的偏振选择单元；
所述种子源(19)提供的主激光与复合增益模块中的泵浦源(8)提供的泵浦光非共路；
所述偏振选择单元包括位于复合增益模块主激光透射窗口（2）一侧的偏振反射镜(13)和四分之一波片(15)，所述偏振反射镜(13)与四分之一波片(15)共同作用实现偏振态选择；
在偏振选择单元中，当p/s偏振光通过一次四分之一波片（15）后即变成圆偏振光，该圆偏振光再次通过四分之一波片（15）后则变成相反偏振态的s/p偏振光；
在四分之一波片（15）前设置偏振反射镜（13），用于实现p偏振光的透射和s偏振光的反射；
所述复合增益模块包括：装置外框(1)、主激光透射窗口(2)、主激光反射窗口(3)、至少一片复合增益介质单元(5)、匀化格栅(6)、泵浦源(8)以及冷却微流道(9)；
位于主激光反射窗口（3）一侧的泵浦源(8)发出的泵浦光(7)经过主激光反射窗口(3)导入复合增益模块中，经过复合增益介质单元(5)的吸收后获得激光增益；同时，激光冷却液(4)经过匀化格栅(6)对流场进行匀化后流入复合增益介质单元(5)之间的冷却微流道(9)，将热量带走后流出复合增益介质单元(5)。
2.根据权利要求1所述的基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，其特征在于，所述复合增益模块的个数为偶数个，且至少有两个增益模块共用一个偏振选择单元实现流向相反的光路串联。
3.根据权利要求1所述的基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，其特征在于，所述主激光透射窗口(2)主要用于主激光的透射，同时针对泵浦光波长镀反射的膜层，实现对泵浦光的反射；所述主激光反射窗口(3)主要用于主激光的反射，同时针对泵浦光波长镀增透的膜层，实现对泵浦光的高透射。
4.根据权利要求2所述的基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，其特征在于，所述复合增益介质单元(5)由增益介质(10)和荧光吸收介质(11)组成，其中增益介质(10)和荧光吸收介质(11)通过键合方式连接。
5.根据权利要求4所述的基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，其特征在于，将一个复合增益模块中不同位置处的增益介质（10）设置不同的离子掺杂浓度。
6.根据权利要求5所述的基于偏振选择的高紧凑型串联直接液冷高功率激光装置，其特征在于，所述激光装置的工作过程为：种子源(19)输出一束p偏振光（12）透射经过偏振反射镜(13)，再经过四分之一波片(15)后变成圆偏振光(16)，圆偏振光(16)经过主激光透射窗口(2)进入第一级复合增益模块中，经过多片复合增益介质单元(5)的光放大后达到主激光反射窗口(3)，经过主激光反射窗口(3)的反射后再次通过多片复合增益介质单元(5)进一步获得光放大，并经主激光透射窗口(2)导出；导出的经过放大后的圆偏振光(16)再次经过四分之一波片(15)后变成s偏振光(14)，完成第一级的偏振选择和放大；之后经过第一级复合增益模块放大的s偏振光(14)继续通过下一级偏振反射镜(13)的反射后进入下一个复合增益模块，并重复与前一级同样的偏振选择进一步获得逐级激光放大，如此反复，最终通过串联的复合增益模块完成全部的激光放大，获得最终的输出激光(17)。
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