CN115986542A - 组合式光束调制激光放大器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种组合式光束调制激光放大器及系统，属于激光放大器技术领域。激光放大器包括第一固定件，内部开设有贯通的空腔；激光放大模组，所述激光放大模组设置有多个，多个所述激光放大模组间隔排布在所述空腔内，每个所述激光放大模组均与所述第一固定件围成一密闭的冷却腔室；微光学元件，分别设置于相邻两个所述激光放大模组之间，所述微光学元件与所述第一固定件连接。本发明通过多个激光放大模组的叠加，进一步得到更多增益介质串联作用的激光放大器，在相邻两个激光放大模组间加入微光学元件对传输光束进一步调制，由此实现激光放大器的高功率输出和高效散热的目的。

Description

组合式光束调制激光放大器及系统

技术领域

本发明涉及激光放大器技术领域，尤其涉及一种组合式光束调制激光放大器及系统。

背景技术

激光二极管(LD)泵浦的高功率全固态激光器是当前国际激光技术领域竞相研究的热点，其在先进制造、精密探测、聚变研究、军事等领域有着广泛的用途。但高功率全固态激光器的发展始终受到热效应的制约，这是因为在高功率抽运过程中，增益介质输出激光的同时会产生大量的无用热。这些无用热的存在会导致热透镜、热应力、退偏、双折射等不良效应，从而致使激光光束质量下降、输出功率受限，甚至造成工作介质破坏，严重限制了激光器的最大输出平均功率。在此情况下，具有较小热效应的新型薄片激光器应运而生，由于薄片激光器的诸多优点：LD泵浦薄片激光器结构紧凑、质量轻、体积小、激光晶体允许注入的泵浦功率很高且晶体内温度基本可以保持恒定等特点，迅速成为了国内外各研究机构的研究重点。

国外研究机构实现了薄片激光器从概念提出到具体实验的跨越，设计了从单通到多通泵浦薄片的方案，已成为薄片激光器中最大量使用的泵浦方式。国内许多机构也进行了多通泵浦薄片的研究，但由于此类薄片激光器的有限增益介质体积对激光器储能的制约，为实现更高功率的激光输出，国内外开展了多薄片串接的薄片激光器研究，这种多薄片串联的方案能够弥补单个薄片激光器储能不足的劣势，但是串联方案结构一般较为复杂，并且体积较庞大。

为了满足更高功率激光输出和结构紧凑的要求，尤其是在激光聚变需求的牵引下，基于多片状结构的高功率全固态激光器受到了广泛关注。此结构采用间隔分立的多片增益介质，能够提供较高的增益，通过吹高速气流或者直接液冷可有效的移除介质中的废热确保了激光器的正常运行。国内外对高速气体冷却的激光放大器，通过控制气流流速与温度来匹配增益介质的热学特性，达到较好的散热效果。而液体直接冷却片状固体激光介质是将增益介质直接进入到冷却液中，激光直接透射冷却液和增益介质，选用折射率匹配的冷却液能大大降低激光穿过冷却液和增益介质的损耗，可以实现大量片状增益介质的串接，是固体激光实现十万瓦高功率输出的技术路线之一。

目前国内外学者一直致力于片状激光器的高功率激光输出，由于片状激光器的单片增益有限，储能难以提升，功率定标放大困难，片间串接光学系统复杂，未能体现结构紧凑的问题，目前采用的多片激光器是实现高能输出和结构紧凑的一个有效手段。当增益介质从单片发展到多片时，冷却方式也从最初的端面直接连接散热装置，散热装置可以是水冷、气冷等，而发展到采用高速气体和液体直接冷却的方式。但是对于多片激光器的设计研究，当采用高速气体冷却时，由于激光光束经过流体通道时，流体的不稳定性会对其光束的波前形态产生微扰，影响激光的输出，因此对冷却气流均匀性的控制要求极高，这无疑增大了系统难度和复杂性；当采用液体直接冷却时，由于激光直接穿过冷却液，在激光振荡中的流场特性、热力学特性及各种光学特性相互耦合，使得作用过程复杂。虽然借助主动光学控制技术，可以对一些低频的像差进行校正，但在激光通光路径中有高频湍流产生时，其光束质量还需要采用更好的控制手段。

发明内容

本发明提供一种组合式光束调制激光放大器及系统，用以解决现有技术中激光放大器高功率输出采用高速气流或高频湍流等散热方式所带来的光束波前干扰和光束质量下降的问题；同时通过光束调制改变传输光束光强分布，以获取增益介质中更高的能量提取和更好的光束质量输出；此外利用多个激光放大模组的叠加，以满足高功率输出、有效散热和激光器小型化的需求。

本发明提供一种组合式光束调制激光放大器，包括：

第一固定件，内部开设有贯通的空腔；

激光放大模组，所述激光放大模组设置有多个，多个所述激光放大模组间隔排布在所述空腔内，每个所述激光放大模组均与所述第一固定件围成一密闭的冷却腔室；

微光学元件，所述微光学元件带有微相位结构，所述微光学元件分别设置于相邻两个所述激光放大模组之间，所述微光学元件与所述第一固定件连接；

其中，每个所述激光放大模组均包括增益介质、表面带有微相位结构的热沉和第二固定件，所述第二固定件设置有两个，每个所述第二固定件的中部均开设有通光区域，所述增益介质的两端与所述热沉均连接，两个所述热沉的外侧端面分别与两个所述第二固定件的内侧端面连接并将所述通光区域封闭，所述第二固定件、所述增益介质除去对应所述通光区域的部分、所述热沉除去对应所述通光区域的部分与所述第一固定件围成所述冷却腔室，所述冷却腔室内流经冷却媒介，相邻两个所述激光放大模组上的所述通光区域相对应。

根据本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器，所述增益介质用于在泵浦源的作用下产生激光；所述激光放大模组中，入射光束进入的第一块热沉外表面的微相位结构，根据实际入射光束分布和期望进入增益介质的光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据采用激光直写或者光刻的方式制作在热沉上；期望进入增益介质的光束分布为平顶分布或马鞍形分布，以获取更高的能量提取。

根据本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器，所述激光放大模组中，传输光束经过增益介质后进入的第二块热沉外表面的微相位结构，根据经增益介质后的实际光束分布和模组期望输出的光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据采用激光直写或者光刻的方式制作在热沉上；模组期望输出的光束分布为基模高斯分布，以获取更好的光束质量输出。

根据本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器，所述微光学元件的微相位结构，根据上一个激光放大模组的实际输出光束和初始时实际入射光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据制作在微光学元件上，以保证进入每个激光放大模组的入射光束具有相同的光强分布特性。

根据本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器，所述热沉与所述第二固定件的连接处设置有密封圈，所述密封圈环绕设置在所述通光区域的外边界。

根据本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器，所述热沉和所述增益介质的形状为方形、圆形、三角形或者多边形中的一种；所述增益介质与所述热沉采用键合、光胶或连接件中的一种方式进行连接。

根据本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器，所述增益介质为激光晶体材料；所述热沉的材料为具有较高热力学和光学性能的透光材料，所述热沉的材料为蓝宝石、白宝石、金刚石或者增益介质的基底材料中的一种。

根据本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器，所述微光学元件的材料为石英或k9玻璃。

根据本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器，所述第一固定件的上部在对应每个所述冷却腔室的位置均开设有冷却媒介入口，所述第一固定件的下部在对应每个所述冷却腔室的位置均开设有冷却媒介出口。

本发明还提供一种组合式光束调制激光放大系统，包括如上所述的组合式光束调制激光放大器，还包括泵浦源和二向色镜；

所述泵浦源发出的泵浦光从激光放大器的单侧方向或者双侧方向泵浦，经所述二向色镜后，从所述通光区域进入所述组合式光束调制激光放大器，实现对输入激光的能量放大。

本发明提供的一种组合式光束调制激光放大器及系统，第一固定件与每个激光放大模组围成一密闭的冷却腔室，激光放大模组由两个第二固定件、两块具有微相位结构的光学热沉和增益介质组成，其中增益介质夹在两块热沉中间，利用两侧热沉的微相位结构对传输激光进行光束调制，使得进入增益介质的传输光束具有特定光强分布，以满足获取更高能量提取的目的；

增益介质的两个通光端面利用两侧热沉进行传导散热，增益介质外边缘面(除两侧通光面外的其它面)和热沉(除密封圈范围以内的其他区域)上有冷却媒介流过，利用冷却媒介对其进行散热；避免了冷却媒介(气体、冷却液等)直接作用在增益介质通光范围对输出光束造成影响；

同时，本发明通过多个激光放大模组的叠加，进一步得到更多增益介质串联作用的激光放大器，在相邻两个激光放大模组间加入微光学元件对传输光束进一步调制，由此实现激光放大器的高功率输出和高效散热的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的组合式光束调制激光放大器的正视剖视图；

图2是单个激光放大模组与第一固定件的连接示意图；

图3是本发明提供的组合式光束调制激光放大器的侧视图；

图4是第一固定件的侧视剖视图；

图5是本发明提供的组合式光束调制激光放大系统的示意图。

附图标记：

100、第一固定件；101、冷却腔室；102、冷却媒介入口；

103、冷却媒介出口；200、激光放大模组；

201、增益介质；202、热沉；203、第二固定件；

204、通光区域；205、密封圈；

300、微光学元件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图5描述本发明的一种组合式光束调制激光放大器及系统。

如图1-图4所示，一种组合式光束调制激光放大器，包括第一固定件100、激光放大模组200和微光学元件300。

第一固定件100内部开设有贯通的空腔；

激光放大模组200设置有多个，多个激光放大模组200间隔排布在空腔内，每个激光放大模组200均与第一固定件100围成一密闭的冷却腔室101；

微光学元件300带有微相位结构，微光学元件300分别设置于相邻两个激光放大模组200之间，微光学元件300与第一固定件100连接；

其中，每个激光放大模组200均包括增益介质201、表面带有微相位结构的热沉202和第二固定件203，第二固定件203设置有两个，每个第二固定件203的中部均开设有通光区域204，增益介质201的两端与热沉202均连接，两个热沉202的外侧端面分别与两个第二固定件203的内侧端面连接并将通光区域204封闭，第二固定件203、增益介质201除去对应通光区域204的部分、热沉202除去对应通光区域204的部分与第一固定件100围成冷却腔室101，冷却腔室101内流经冷却媒介，相邻两个激光放大模组200上的通光区域204相对应。

增益介质201用于在泵浦源的作用下产生激光；每个激光放大模组200中，两个热沉202仅在外侧端面对应通光区域204的位置带有微相位结构，入射光束进入的第一块热沉202外表面的微相位结构，根据实际入射光束分布和期望进入增益介质201的光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据采用激光直写或者光刻的方式制作在热沉202上；期望进入增益介质201的光束分布为平顶分布、马鞍形分布或者某种特定光强分布，以获取更高的能量提取；

激光放大模组200中，传输光束经过增益介质201后进入的第二块热沉202外表面的微相位结构，根据经增益介质201后的实际光束分布和模组期望输出的光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据采用激光直写或者光刻的方式制作在热沉202上；模组期望输出的光束分布为基模高斯分布或特定光强分布，以获取更好的光束质量输出。

微光学元件300的微相位结构，根据上一个激光放大模组200的实际输出光束和初始时实际入射光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据制作在微光学元件300上，以保证进入每个激光放大模组200的入射光束具有相同的光强分布特性。

为了进一步提高密封效果，热沉202与第二固定件203的连接处设置有密封圈205，密封圈205环绕设置在通光区域204的外边界。同时，密封圈205的存在，使得热沉202与第二固定件203之间存在间隙，增大了散热面积。

热沉202和增益介质201的形状不做具体限定，可以为方形、圆形、三角形或者多边形中的一种；增益介质201与热沉202采用键合、光胶或连接件中的一种方式进行连接。由于入射光束的面积可以全部覆盖通光区域204，因此，热沉202和增益介质201的面积均要大于通光区域204，确保穿过通光区域204的入射光束在传输时均能完整穿过热沉202和增益介质201。

增益介质201为激光晶体材料；热沉202材料的选择具有限制性，由于热沉202处在光路中，热沉202的存在不能影响光束质量，热沉202的材料为具有较高热力学和光学性能的透光材料，具体为蓝宝石、白宝石、金刚石或者增益介质302的基底材料中等光学元件的一种，并且每片热沉202的厚度可以根据实际需要进行设定。

微光学元件300的材料为石英或k9玻璃。

第一固定件100的上部在对应每个冷却腔室101的位置均开设有冷却媒介入口102，第一固定件100的下部在对应每个冷却腔室101的位置均开设有冷却媒介出口103。多个冷却媒介入口102可连通同一个冷却媒介输送总管，多个冷却媒介出口103可连通同一个冷却媒介排出总管，方便冷却媒介的输入和排出。

每个激光放大模组200对应一个冷却腔室101，冷却媒介可以是气体、液体等；冷却媒介从第一固定件100的上部分别进入每个冷却腔室101，流过增益介质201外边缘面(除两侧通光面外的其它面)和热沉202除去密封圈205范围以内的其他面，从第一固定件100的下部流出，由此对激光放大模组200进行大范围散热；同时增益介质201的两个通光端面还可利用两侧热沉202进行传导散热。由于增益介质201的通光范围没有与冷却媒介的直接接触，因此避免了冷却媒介对传输光束的影响，从而实现激光放大器的高功率输出和高效散热的目的。

如图5所示，一种组合式光束调制激光放大系统，包括如上所述的组合式光束调制激光放大器，还包括泵浦源和二向色镜；

泵浦源发出的泵浦光从激光放大器的单侧方向或者双侧方向泵浦，经二向色镜后，从通光区域204进入组合式光束调制激光放大器，实现对输入激光的能量放大。

泵浦源发出泵浦光，从单侧方向或者双侧方向泵浦，经二向色镜(DM，对泵浦光高透，对输出光高反)后，从泵浦区域进入激光放大器中串联放置的各个放大模组，每个模组中传输光束经第一个热沉202的微相位调制作用后，具有特定光强分布的传输光束进入增益介质201，可以最大程度进行能量提取，并且经另一热沉202的微相位调制后，可以输出满足特定光强分布的输出光束；此时增益介质201吸收的部分能量转化为热量；一部分热量经传导散热进入热沉202，另一部分热量经外边缘面进入冷却媒介中。此外，各放大模组间还可以放置微光学元件300对传输光束进一步调制，由此经多个放大模组后，实现高功率输出和高效散热的目的。

在高功率激光输出和结构紧凑性的需求牵引下，目前高速气体冷却的多片激光放大器需要增益介质是渐变和间隔掺杂或者梯度掺杂，为增益介质的制备增加了难度和复杂性；而直接液体冷却的多片激光器又存在作用过程复杂、需对像差和光束质量进行控制、系统较复杂等问题；与目前现有多片激光放大器相比，本发明所提出的组合式光束调制激光头，具有增益介质掺杂无特殊要求、作用过程较简单、结构紧凑、高能量输出和有效散热的优势，为多片激光器的高功率输出提供了一种新的思路和发展方向。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种组合式光束调制激光放大器，其特征在于，包括：

第一固定件，内部开设有贯通的空腔；

激光放大模组，所述激光放大模组设置有多个，多个所述激光放大模组间隔排布在所述空腔内，每个所述激光放大模组均与所述第一固定件围成一密闭的冷却腔室；

微光学元件，所述微光学元件带有微相位结构，所述微光学元件分别设置于相邻两个所述激光放大模组之间，所述微光学元件与所述第一固定件连接；

其中，每个所述激光放大模组均包括增益介质、表面带有微相位结构的热沉和第二固定件，所述第二固定件设置有两个，每个所述第二固定件的中部均开设有通光区域，所述增益介质的两端与所述热沉均连接，两个所述热沉的外侧端面分别与两个所述第二固定件的内侧端面连接并将所述通光区域封闭，所述第二固定件、所述增益介质除去对应所述通光区域的部分、所述热沉除去对应所述通光区域的部分与所述第一固定件围成所述冷却腔室，所述冷却腔室内流经冷却媒介，相邻两个所述激光放大模组上的所述通光区域相对应。

2.根据权利要求1所述的组合式光束调制激光放大器，其特征在于，所述增益介质用于在泵浦源的作用下产生激光；所述激光放大模组中，入射光束进入的第一块热沉外表面的微相位结构，根据实际入射光束分布和期望进入增益介质的光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据采用激光直写或者光刻的方式制作在热沉上；期望进入增益介质的光束分布为平顶分布或马鞍形分布，以获取更高的能量提取。

3.根据权利要求2所述的组合式光束调制激光放大器，其特征在于，所述激光放大模组中，传输光束经过增益介质后进入的第二块热沉外表面的微相位结构，根据经增益介质后的实际光束分布和模组期望输出的光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据采用激光直写或者光刻的方式制作在热沉上；模组期望输出的光束分布为基模高斯分布，以获取更好的光束质量输出。

4.根据权利要求3所述的组合式光束调制激光放大器，其特征在于，所述微光学元件的微相位结构，根据上一个激光放大模组的实际输出光束和初始时实际入射光束分布进行相位求解获得对应相位数据，根据相位数据制作在微光学元件上，以保证进入每个激光放大模组的入射光束具有相同的光强分布特性。

5.根据权利要求1所述的组合式光束调制激光放大器，其特征在于，所述热沉与所述第二固定件的连接处设置有密封圈，所述密封圈环绕设置在所述通光区域的外边界。

6.根据权利要求1所述的组合式光束调制激光放大器，其特征在于，所述热沉和所述增益介质的形状为方形、圆形、三角形或者多边形中的一种；所述增益介质与所述热沉采用键合、光胶或连接件中的一种方式进行连接。

7.根据权利要求1所述的组合式光束调制激光放大器，其特征在于，所述增益介质为激光晶体材料；所述热沉的材料为具有较高热力学和光学性能的透光材料，所述热沉的材料为蓝宝石、白宝石、金刚石或者增益介质的基底材料中的一种。

8.根据权利要求1所述的组合式光束调制激光放大器，其特征在于，所述微光学元件的材料为石英或k9玻璃。

9.根据权利要求1所述的组合式光束调制激光放大器，其特征在于，所述第一固定件的上部在对应每个所述冷却腔室的位置均开设有冷却媒介入口，所述第一固定件的下部在对应每个所述冷却腔室的位置均开设有冷却媒介出口。

10.一种组合式光束调制激光放大系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的组合式光束调制激光放大器，还包括泵浦源和二向色镜；

所述泵浦源发出的泵浦光从激光放大器的单侧方向或者双侧方向泵浦，经所述二向色镜后，从所述通光区域进入所述组合式光束调制激光放大器，实现对输入激光的能量放大。

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