CN117134179B - 消回光防自激振荡角度阵列式增益模块及激光放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消回光防自激振荡角度阵列式增益模块及激光放大装置，涉及高能激光技术领域。该消回光防自激振荡角度阵列式增益模块包含复合增益介质晶体、激光冷却液、特殊泵浦光通光窗口、主激光窗口；所述复合增益介质晶体根据角度选择关系形成阵列，并用于实现光瞳的补偿，与具备荧光吸收功能的特殊泵浦光通光窗口共同作用，实现消回光防自激振荡。本发明改进了复合增益介质晶体阵列式排布，增加了系统的紧凑性；同时采用透射式的光路，减小了系统的复杂性；此外增益介质口径大，降低了激光功率密度，减小了增益介质损伤几率，提高系统鲁棒性，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。

Description

消回光防自激振荡角度阵列式增益模块及激光放大装置

技术领域

本发明涉及高能激光技术领域，尤其是一种消回光防自激振荡角度阵列式增益模块及激光放大装置。

背景技术

短脉冲大能量固体激光器以其输出脉冲能量大、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，对激光器的输出能量、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，已经很难在功率体积（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大能量激光器高效、快速散热的要求。同时常规固体激光器难以同时在储能、激光放大口径、系统小型化等同时满足多方面需求。因此，需要设计新型的固体激光器散热方式、激光放大方式，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。这种增益方式的优点是可以在降低单片增益介质产热率的同时在单位体积内获得极高的增益，实现激光器的紧凑化、小型化。美国专利号US7366211B2公开了一种液体直接冷却的激光器，所述激光装置是一个将多片介质置于液体中，单通侧泵浦的方式实现激光输出，这是一种新的激光器设计思路。

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，通常采用增益介质阵列式分布而激光正入射的透射式通光的方式，但是这种方式常会由于增益介质的剩余反射而产生回光，这种回光一方面经过放大后对种子源等前级造成毁伤影响、同时也会导致自激振荡产生而消耗大量的上能级粒子，从而影响整个系统的安全性和输出特性。因此，有必要设计一种既可保留口径大且结构简单等优势、又能消回光防自激振荡的直接液冷激光装置。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有技术中存在的上述缺陷和不足，本发明提供了一种消回光防自激振荡角度阵列式增益模块和激光放大装置，通过增益介质的角度优选以及特殊荧光吸收材料对荧光的吸收消除回光并有效防止自激振荡，保证了系统的紧凑化以及定标放大能力。

一方面，本发明提供了一种消回光防自激振荡角度阵列式增益模块，其特征在于，所述消回光防自激振荡角度阵列式增益模块包含复合增益介质晶体、激光冷却液、特殊泵浦光通光窗口、主激光窗口；所述特殊泵浦光通光窗口主要作用为使泵浦光完全透射，同时吸收所述复合增益介质晶体产生的沿泵浦方向的荧光以及可能经复合增益介质晶体反射的回光；所述主激光窗口主要用于使主激光高透射；所述复合增益介质晶体根据角度选择关系形成阵列，并用于实现光瞳的补偿。

另一方面，本发明还提供了一种消回光防自激振荡角度阵列式激光放大装置，所述激光放大装置包括至少一个前述的消回光防自激振荡角度阵列式增益模块、泵浦源、发散型光束整形器、会聚型光束整形器。其中，一台泵浦源发出泵浦光经过发散型光束整形器形成发散光斑入射到消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I的窄端、另一台泵浦源发出泵浦光经过会聚型光束整形器形成会聚光斑入射到消回光防自激振荡角度阵列式增益模块的宽端，两束泵浦光经过复合增益介质晶体的吸收后获得激光增益。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、与现有技术相比，本发明提供的消回光防自激振荡角度阵列式增益模块重点采用了角度选择与荧光吸收相结合的方式，有效管控可能产生的回光并进行消除，基本杜绝了所有可以产生自激振荡的路径和方式，有效抑制了激光模块中的自激振荡。

2、本发明提供的消回光防自激振荡角度阵列式激光放大装置具有增益介质阵列式排布的设置，增加了系统的紧凑性；同时采用透射式的光路，减小了系统的复杂性；此外，增益介质口径大，降低了激光功率密度，减小了增益介质损伤几率，提高系统鲁棒性。

3、本发明提供的消回光防自激振荡角度阵列式激光放大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。

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是本发明实施例提供的一种复合增益介质晶体的结构示意图；

图2是本发明提供的一种消回光防自激振荡角度阵列式增益模块的结构示意图；

图3是本发明提供的一种消回光防自激振荡角度阵列式激光放大装置的示意图；

图中：I、消回光防自激振荡角度阵列式增益模块，1、复合增益介质晶体，2、激光冷却液，3、特殊泵浦光通光窗口，4、主激光窗口，5、主激光种子光，6、主激光放大光，7、泵浦源，8、发散型光束整形器，9、会聚型光束整形器，10、泵浦光，11、流场恢复段荧光吸收介质，12、增益介质，13、来流匀化段荧光吸收介质，14、冷却液流动方向。

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为一种复合增益介质晶体1的示意图，所述复合增益介质晶体1为板条结构，由增益介质12、流场恢复段荧光吸收介质11和来流匀化段荧光吸收介质13组成，其中增益介质12与两端的流场恢复段荧光吸收介质11和来流匀化段荧光吸收介质13分别通过键合或者胶合或其他合适的方式连接成一体。所述流场恢复段荧光吸收介质11和来流匀化段荧光吸收介质13用于吸收增益介质12沿冷却液流动方向14产生的荧光，防止在增益介质12内产生自激振荡效应，同时进一步匀化流场保证在增益介质12段流场的层流特性。所述复合增益介质晶体1的通光大面镀有液相环境增透膜，以减少主激光经过复合增益介质晶体1时由于激光冷却液2与增益介质12的折射率不同而产生的菲涅尔反射。

所述增益介质12是指一种可以被泵浦发生激光越迁的掺杂适当离子的具有基质点阵结构的光学材料，主要用于产生波长为λ的放大激光。作为一个优选实施例，所述增益介质12可以为掺杂Nd离子的晶体、陶瓷或玻璃材料中的一种。

所述流场恢复段荧光吸收介质11和来流匀化段荧光吸收介质13可以为对主激光波长具有较好吸收且对泵浦光波长无明显吸收的光学材料，主要用于吸收增益介质12中伴随产生的波长为λ的荧光，从而降低或消除单片复合增益介质晶体产生的自激振荡的可能性。在一个优选实施例中，所述流场恢复段荧光吸收介质11和来流匀化段荧光吸收介质13可以是掺杂Nd离子的晶体、陶瓷或玻璃材料等。

需要说明的是，在板条式增益介质中一般包括大面、端面、侧面三个面，所述大面是指具有立方体形状的板条式增益介质上面积最大的两面，端面为板条式增益介质长度方向上两端所在的面，侧面为板条式增益介质长度方向上两侧所在的面。

实施例2

如图2所示，本实施例2为用于激光放大装置的消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I，所述消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I包含至少两块如前述实施例中描述的复合增益介质晶体1、激光冷却液2、特殊泵浦光通光窗口3、主激光窗口4。

在消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I内，所述特殊泵浦光通光窗口3为可吸收主激光波长荧光的吸收材料，其主要作用为使泵浦光10完全透射，同时吸收所述复合增益介质晶体1产生的沿泵浦方向的荧光以及可能经复合增益介质晶体1反射的回光，是实现消回光和抑制自激振荡的关键设计之一。

所述特殊泵浦光通光窗口3的材质可以为对主激光波长具有较好吸收且对泵浦光波长无明显吸收的晶体、陶瓷或玻璃材料。

所述主激光窗口4的主要作用为使主激光高透射。

在消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I内，设置偶数块复合增益介质晶体1并按照一定的位置关系形成阵列式排布，该复合增益介质晶体1的阵列用于实现光瞳的补偿。作为一个优选实施例，在消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I内，任意一块复合增益介质晶体1与特殊泵浦光通光窗口3之间的夹角α为45°，相邻两片复合增益介质晶体1的夹角为90°。

所述特殊泵浦光通光窗口3位于复合增益介质晶体1阵列的两侧，所述主激光窗口4位于复合增益介质晶体1阵列的两端，且两个主激光窗口4与复合增益介质晶体1阵列两端的复合增益介质晶体1分别平行，使得位于消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I侧面的两个特殊泵浦光通光窗口3一宽一窄，其中较宽的特殊泵浦光通光窗口3称为宽面，较窄的特殊泵浦光通光窗口3称为窄面。需要注意的是，此处的窄与宽是相对于两个特殊泵浦光通光窗口3之间的比较而言的。

根据光的折射定律分析可知入射的主激光从一端的主激光窗口4经激光冷却液2进入复合增益介质晶体1后会发生折射，并且经过下一片复合增益介质晶体1后光瞳会发生偏移。采用偶数片复合增益介质晶体1为一组按照角度选择关系进行对称分布的阵列排布方式，每经过一组（两个）复合增益介质晶体1阵列后即可实现光瞳的自补偿。

激光冷却液2在特殊泵浦光通光窗口3与复合增益介质晶体1之间的流道流动，实现对主激光窗口4进行冷却；此外激光冷却液2经过两片复合增益介质晶体1与特殊泵浦光通光窗口3之间的三角形流道对复合增益介质晶体1和特殊泵浦光通光窗口3的产热进行冷却。如此采用对复合增益介质晶体1直接液冷的方式，能够保证复合增益介质晶体1的均匀高效冷却。

如此通过在激光装置的消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I中设置45°角度阵列排布的复合增益介质晶体1阵列与具备荧光吸收功能的特殊泵浦光通光窗口3的共同作用，可以实现消回光防自激振荡。

实施例3

如图3所示，本实施例3为一种消回光防自激振荡角度阵列式激光放大装置，所述激光放大装置包括一个或多个如前述实施例中的消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I、泵浦源7、发散型光束整形器8、会聚型光束整形器9。

所述泵浦源7位于消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I的侧向并采用大面泵浦的方式，保证消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I的均匀产热。

所述泵浦源7的具体选择由所选择的增益介质12的材料的吸收特性决定。优先选择半导体激光二级管作为泵浦源装置，工作模式为连续或者准连续或者脉冲方式。

本发明提供的能够消回光防自激振荡的角度阵列式激光放大装置的工作原理为：一台泵浦源7发出泵浦光10经过发散型光束整形器8形成发散光斑入射到消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I窄面所在的特殊泵浦光通光窗口3、另一台泵浦源7发出泵浦光10经过会聚型光束整形器9形成会聚光斑入射到消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I的宽面所在的特殊泵浦光通光窗口3，两束泵浦光10经过复合增益介质晶体1的吸收后获得激光增益。

如图3所示，为了能够更好的示出主激光的传输路径，将主激光在传输方向上的标注分成了主激光种子光5和主激光放大光6，所述主激光种子光5表示入射的主激光，所述主激光放大光6表示经过放大后出射的主激光。

所述主激光种子光5经过主激光窗口4导入消回光防自激振荡角度阵列式增益模块I中，主激光种子光5与主激光窗口4之间的夹角为θ：

θ=arcos(n _液体×2^0.5/2)

n _液体为激光冷却液2的折射率；主激光进入激光模块后，依次通过角度阵列式排布的复合增益介质晶体1后获得激光放大，后经另一片主激光窗口输出。

所述激光放大装置实现消回光防自激振荡的工作原理是：首先对每一片复合增益介质晶体1的通光大面镀液相环境增透膜以减少主激光经过时由于液体与复合增益介质晶体1折射率不同而产生的菲涅尔反射；对于复合增益介质晶体1镀增透膜后依旧存在的极小的剩余反射，此时由于复合增益介质晶体1与主激光的角度为45°，主激光在复合增益介质晶体1表面产生的剩余反射回光会直接照射到特殊泵浦光通光窗口3，该特殊泵浦光通光窗口3具备吸收主激光波长的功能，可以将回光完全吸收；对于沿冷却液流动方向14产生的荧光，则通过流场恢复段荧光吸收介质11和来流匀化段荧光吸收介质13吸收，防止在复合增益介质晶体1内产生自激振荡效应。

通过如上实施例所述的消回光防自激振荡角度阵列式增益模块以及激光放大装置中采用的角度选择与荧光吸收相结合的方式，有效管控可能产生的回光并进行消除，基本杜绝了所有可能产生自激振荡的路径和方式，有效抑制了激光模块中的自激振荡；同时具有增益介质阵列式排布以及透射式放大光路特点，增加了系统的紧凑性和鲁棒性。本发明的激光装置可以较好地实现高功率定标放大、同时抑制热致像差从而获得高光束质量的高功率激光输出，是一种新型的高功率激光放大装置。

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)

1.一种消回光防自激振荡角度阵列式增益模块，其特征在于，所述消回光防自激振荡角度阵列式增益模块(I)包含复合增益介质晶体(1)、激光冷却液(2)、特殊泵浦光通光窗口(3)、主激光窗口(4)；所述特殊泵浦光通光窗口(3)主要作用为使泵浦光（10）完全透射，同时吸收所述复合增益介质晶体（1）产生的沿泵浦方向的荧光以及经复合增益介质晶体（1）反射的回光；所述主激光窗口(4)主要用于使主激光高透射；所述复合增益介质晶体(1)根据角度选择关系形成阵列，并用于实现光瞳的补偿；

所述主激光窗口(4)位于复合增益介质晶体(1)阵列的两端，且两个主激光窗口（4）与复合增益介质晶体（1）阵列两端的复合增益介质晶体（1）分别平行，所述特殊泵浦光通光窗口(3)位于复合增益介质晶体(1)阵列的两侧；

在消回光防自激振荡角度阵列式增益模块(I)内，任意一块复合增益介质晶体(1)与特殊泵浦光通光窗口(3)之间的夹角α为45°，相邻两片复合增益介质晶体(1)的夹角为90°；所述复合增益介质晶体(1)的数量为偶数；

对每一片复合增益介质晶体(1)镀相应角度的液相环境增透膜；对于复合增益介质晶体(1)镀增透膜后的剩余反射，由于复合增益介质晶体(1)与主激光的角度为45°，主激光在复合增益介质晶体（1）表面产生的剩余反射回光直接照射到特殊泵浦光通光窗口(3)，该特殊泵浦光通光窗口(3)将剩余反射回光完全吸收，通过消回光防自激振荡角度阵列式增益模块（I）中阵列排布的复合增益介质晶体（1）阵列与具备荧光吸收功能的特殊泵浦光通光窗口(3)的共同作用，实现消回光防自激振荡；

所述主激光种子光（5）经过主激光窗口（4）导入消回光防自激振荡角度阵列式增益模块（I）中，主激光种子光（5）与主激光窗口（4）之间的夹角为θ：

θ=arcos(n _液体×2^0.5/2)

n_液体为激光冷却液（2）的折射率；主激光进入激光模块后，依次通过角度阵列式排布的复合增益介质晶体（1）后获得激光放大，后经另一片主激光窗口输出。

2.根据权利要求1所述的一种消回光防自激振荡角度阵列式增益模块，其特征在于，所述复合增益介质晶体（1）为板条结构，由增益介质（12）、流场恢复段荧光吸收介质（11）和来流匀化段荧光吸收介质（13）组成，所述流场恢复段荧光吸收介质（11）和来流匀化段荧光吸收介质（13）用于吸收增益介质（12）沿冷却液流动方向（14）产生的荧光。

3.根据权利要求1所述的一种消回光防自激振荡角度阵列式增益模块，其特征在于，激光冷却液（2）在特殊泵浦光通光窗口(3)与复合增益介质晶体(1)之间的流道流动，实现对主激光窗口（4）进行冷却；此外激光冷却液(2)经过两片复合增益介质晶体（1）与特殊泵浦光通光窗口(3)之间的三角形流道对复合增益介质晶体(1)和特殊泵浦光通光窗口(3)的产热进行冷却。

4.一种消回光防自激振荡角度阵列式激光放大装置，其特征在于，所述激光放大装置包括至少一个如权利要求1-3中任一所述的消回光防自激振荡角度阵列式增益模块（I）、泵浦源（7）、发散型光束整形器(8)、会聚型光束整形器(9)。

5.根据权利要求4所述的一种消回光防自激振荡角度阵列式激光放大装置，其特征在于，一台泵浦源(7)发出泵浦光(10)经过发散型光束整形器(8)形成发散光斑入射到消回光防自激振荡角度阵列式增益模块(I)的窄端、另一台泵浦源(7)发出泵浦光(10)经过会聚型光束整形器(9)形成会聚光斑入射到消回光防自激振荡角度阵列式增益模块(I)的宽端，两束泵浦光（10）经过复合增益介质晶体(1)的吸收后获得激光增益。

6.根据权利要求5所述的一种消回光防自激振荡角度阵列式激光放大装置，其特征在于，对于沿冷却液流动方向（14）产生的荧光，则通过流场恢复段荧光吸收介质（11）和来流匀化段荧光吸收介质（13）吸收，防止在复合增益介质晶体（1）内产生自激振荡效应。