CN204179474U - 一种板条激光放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种板条激光放大器，包括种子激光模块、泵浦模块、增益介质模块、双色镜模块，所述泵浦模块、双色镜模块、增益介质模块并列设置，所述种子激光模块设于所述并列设置的模块一侧，还包括反射镜模块，所述增益介质模块包括激光晶体和2块冷却热沉，所述激光晶体为掺杂激光晶体与2块非掺杂激光晶体无胶键合在一起，所述激光晶体的厚度为0.5-1.5mm，本实用新型利用超薄板条结构的键合激光晶体作为激光放大器的增益介质，采用反射镜模块达到双程放大，减少了激光晶体的热效应，增强了激光晶体表面损伤阈值，增加了激光增益提取效率，可以获得高输出功率、高光束质量的连续或脉冲激光放大输出。

Description

一种板条激光放大器

技术领域

本实用新型涉及固体激光放大器技术领域，具体涉及一种板条激光放大器。

背景技术

激光放大器和激光(振荡)器都是基于“受激辐射的光放大”同一物理过程，唯一的区别是激光放大器没有谐振腔。激光放大器能够得到高输出功率(能量)、高光束质量激光束；而高输出功率和高光束质量这两指标在激光器中是一个矛盾的过程，难以同时满足。在激光放大器系统中，一般包括提供高光束质量而输出功率较低的种子激光束作为输入激光，输入激光再经过激光放大器进行功率(能量)的放大，从而得到高输出功率和高光束质量的激光输出。

在现有的大功率激光放大器系统中，主要存在的问题是激光增益介质中存在的热问题。为了处理其中热的影响，一般通过对激光增益介质进行特殊的设计来增加散热，目前主要包括：一种是在纵向进行拉长(长度数百毫米～数米)，横截面变得非常细(直径约几百微米)，也就是光纤(Fiber)激光放大器；一种是在纵向进行压缩(厚度约几百微米)，横截面变得很大(直径约数毫米)，也就是叠片(Thin-Disc)激光放大器；还有一种是做成板条状，其厚度较小，宽度和长度较大，也就是板条激光器。其中由于较强非线性效应的存在使得光纤激光放大器在激光放大特别是超短脉冲激光的放大上存在限制；而叠片激光放大器中则存在激光作用距离短、系统结构复杂等问题；相较而言，板条激光放大器由于不存在以上问题的限制在大功率激光放大特别是超短脉冲激光的放大上有很大的优势。

在现有的板条激光放大器系统中，由于板条状的激光晶体厚度仍较大，散热时不可避免的存在温度梯度，从而降低了激光束的质量；直接在激光增益晶体表面镀上膜，从而限制了激光晶体表面的损伤阈值；输入激光在板条激光晶体内部为Z型路径，其折角一般较大，泵浦增益的利用率较低，因此激光晶体散热差、激光损伤阈值低、泵浦增益利用率低仍然是现有技术存在的问题。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种散热好、激光损伤阈值高、泵浦增益利用率高的板条激光放大器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种板条激光放大器，包括种子激光模块、泵浦模块、增益介质模块、双色镜模块，所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一和双色镜二，所述增益介质模块设于双色镜模块内侧，所述泵浦模块包括平行排列的泵浦一和泵浦二，分别设于双色镜模块外侧，所述泵浦模块、双色镜模块、增益介质模块并列设置，所述种子激光模块设于所述并列设置的模块一侧，所述增益介质模块包括激光晶体和2块冷却热沉，所述2块冷却热沉分别与激光晶体的长宽侧面固定连接；

还包括反射镜模块，所述反射镜模块包括反射镜一和反射镜二，所述反射镜一和反射镜二设于所述种子激光模块的对侧，所述反射镜一和反射镜二均为平面镜；

所述激光晶体包括掺杂激光晶体和2块非掺杂激光晶体，所述激光晶体长度和宽度大于厚度，所述激光晶体厚为0.5-1.5mm，所述非掺杂晶体键合于掺杂激光晶体的长高面上，与掺杂激光晶体并列设置，所述非掺杂晶体的宽度为0.5-5.0mm；

所述泵浦模块输出的泵浦激光横截面为长条矩形光斑，宽度小于激光晶体的厚度。

进一步，所述反射镜一和所述反射镜二表面均镀有对种子激光高反射率的膜。

进一步，所述掺杂晶体与非掺杂晶体的键合方式为无胶键合。

进一步，所述激光晶体的长高面上均镀有对泵浦激光和种子激光都具有高透过率的膜。

进一步，所述双色镜一或双色镜二绕中心轴线旋转，使其之间呈1′-100′角度设置。

进一步，所述激光晶体的长度为5-1000mm，宽度为5-500mm。

进一步，所述非掺杂激光晶体为钇铝石榴石晶体、钒酸钇晶体中的一种。

进一步，所述掺杂晶体为所述掺杂激光晶体为以非掺杂激光晶体为基质材料，并掺杂钕、镱中的一种元素。

本实用新型的有益效果如下：

1、采用超薄板条状掺杂激光晶体作为增益介质，掺杂激光晶体厚度非常小使得散热距离极短，激光晶体长宽侧面面积非常大使得散热面积非常大，通过冷却热沉的高效散热作用使得晶体内部避免了热的聚集，激光晶体的热分布非常均匀，没有热梯度，从而消除了热透镜对激光放大的影响，确保可以得到高光束质量的输出激光。

2、掺杂晶体散热速度快于空气，在掺杂激光晶体两侧键合非掺杂激光晶体，可提高掺杂晶体长高侧面的散热速度，避免出现热梯度，提高输出激光的光束质量。

3、在掺杂激光晶体两侧键合非掺杂激光晶体，在非掺杂激光晶体表面镀膜，避免了掺杂晶体热效应和热应力对膜的影响，从而增大了激光晶体表面损伤阈值。

4、采用反射镜模块，使种子激光通过激光晶体的次数加倍，激光路径基本覆盖了激光晶体的所有增益区域，从而使得泵浦激光增益的利用率非常高。

5、两个双色镜之间设置一个微小夹角，避免形成平平腔谐振结构，可防止激光自激振荡。

6、采用横截面为长条矩形光斑作为泵浦激光，可以提高泵浦激光的有效利用率。

7、采用全固态紧凑结构，结构简单、成本低。

附图说明

图1为本实用新型的整体俯视结构示意图；

图2为本实用新型的增益介质模块的主视图；

图3为本实用新型的增益介质模块的左视图。

图中：1—种子激光模块；2—泵浦模块；21—泵浦一；22—泵浦二；3—种子激光束；4—增益介质模块；41—掺杂激光晶体；42—非掺杂激光晶体；43—冷却热沉；51—双色镜一；52—双色镜二；6—反射镜模块；61—反射镜一；62—反射镜二。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型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。

如图1-3所示，一种板条激光放大器，包括种子激光模块1、泵浦模块2、增益介质模块4、双色镜模块，所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一51和双色镜二52，所述增益介质模块4设于双色镜模块内侧，所述泵浦模块2包括平行排列的泵浦一21和泵浦二22，分别设于双色镜模块外侧，所述泵浦模块2、双色镜模块、增益介质模块4并列设置，所述种子激光模块1设于所述并列设置的模块一侧，所述增益介质模块4包括激光晶体和2块冷却热沉43，所述2块冷却热沉43分别与激光晶体的长宽侧面固定连接；

还包括反射镜模块6，所述反射镜模块6包括反射镜一61和反射镜二62，所述反射镜一61和反射镜二62设于所述种子激光模块1的对侧，所述反射镜一61和反射镜二62均为平面镜；

所述激光晶体包括掺杂激光晶体41和2块非掺杂激光晶体42，所述激光晶体长度和宽度大于厚度，所述激光晶体厚为0.5-1.5mm，所述非掺杂晶体42键合于掺杂激光晶体41的长高面上，与掺杂激光晶体41并列设置，所述非掺杂晶体42的宽度为0.5-5.0mm；

所述泵浦模块2输出的泵浦激光横截面为长条矩形光斑，宽度小于激光晶体的厚度。

实施例一：

如图1-3所示，一种板条激光放大器，包括种子激光模块1、泵浦模块2、增益介质模块4、双色镜模块，所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一51和双色镜二52，双色镜一51和双色镜二52的内、外表面均镀有对泵浦激光高透过率的膜，确保泵浦激光可以透过双色镜模块入射到激光晶体内，双色镜一51和双色镜二52的内表面均镀有对种子激光3高反射率的膜，确保种子激光不会在双色镜表面出射；所述增益介质模块4设于双色镜模块内侧，所述泵浦模块2包括平行排列的泵浦一21和泵浦二22，分别设于双色镜模块外侧，所述泵浦模块2、双色镜模块、增益介质模块4并列设置，所述种子激光模块1设于所述并列设置的模块一侧，所述增益介质模块4包括激光晶体和2块冷却热沉43，所述2块冷却热沉43分别与激光晶体的长宽侧面固定连接，2块冷却热沉43均为黄铜材质，其内部均有冷却液通道，2块冷却热沉43与激光晶体之间均垫有一层用来加强热的传导的薄的铟；

还包括反射镜模块6，所述反射镜模块6包括反射镜一61和反射镜二62，所述反射镜一61和反射镜二62设于所述种子激光模块1的对侧，所述反射镜一61和反射镜二62均为平面镜，所述反射镜一61和所述反射镜二62表面均镀有对种子激光3高反射率的膜，确保激光束一全部被反射回激光晶体，再次进行放大，所述双色镜一61或双色镜二62绕中心轴线旋转，使其之间呈1′角度设置，避免形成平平腔谐振结构，防止激光自激震荡；

所述激光晶体包括掺杂激光晶体41和2块非掺杂激光晶体42，所述掺杂激光晶体为掺钕钇铝石榴石晶体，所述非掺杂激光晶体为钇铝石榴石晶体，所述激光晶体长度和宽度大于厚度，所述激光晶体厚为0.5mm，激光晶体厚度非常小使得散热距离极短，不会产生热梯度，确保输出光束为高质量光束，长度为1000mm，宽度为500mm，所述非掺杂激光晶体42键合于掺杂激光晶体41的长高面上，非掺杂激光晶体的散热速度高于空气的，这样非掺杂激光晶体可以加快掺杂激光晶体两侧面的散热，避免出现热梯度，提高输出激光束的质量，所述的掺杂晶体41与非掺杂晶体42的键合方式为无胶键合，与掺杂激光晶体41并列设置，所述非掺杂激光晶体42的宽度为5mm，所述激光晶体的长高面上，即非掺杂晶体未键合的长高面，均镀有对泵浦激光和种子激光都具有高透过率的膜，在非掺杂激光晶体42表面镀膜，避免了掺杂晶体41热效应和热应力对膜的影响，从而增大了激光晶体表面损伤阈值；

所述泵浦模块2输出的泵浦激光横截面为长条矩形光斑，宽度小于激光晶体的厚度，为0.45mm，可提高泵浦激光的有效利用率。

实施例二：

如图1-3所示，一种板条激光放大器，包括种子激光模块1、泵浦模块2、增益介质模块4、双色镜模块，所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一51和双色镜二52，双色镜一51和双色镜二52的内、外表面均镀有对泵浦激光高透过率的膜，确保泵浦激光可以透过双色镜入射到激光晶体内，双色镜一51和双色镜二52的内表面均镀有对种子激光3高反射率的膜，确保种子激光不会在双色镜表面出射；所述增益介质模块4设于双色镜模块内侧，所述泵浦模块2包括平行排列的泵浦一21和泵浦二22，分别设于双色镜模块外侧，所述泵浦模块2、双色镜模块、增益介质模块4并列设置，所述种子激光模块1设于所述并列设置的模块一侧，所述增益介质模块4包括激光晶体和2块冷却热沉43，所述2块冷却热沉43分别与激光晶体的长宽侧面固定连接，2块冷却热沉43均为紫铜材质，其内部均有冷却液通道，2块冷却热沉43与激光晶体之间均垫有一层用来加强热的传导的薄的铟；

还包括反射镜模块6，所述反射镜模块6包括反射镜一61和反射镜二62，所述反射镜一61和反射镜二62设于所述种子激光模块1的对侧，所述反射镜一61和反射镜二62均为平面镜，所述反射镜一61和所述反射镜二62表面均镀有对种子激光3高反射率的膜，确保激光束一全部被反射回激光晶体，再次进行放大，所述双色镜一61或双色镜二62绕中心轴线旋转，使其之间呈50′角度设置，避免形成平平腔谐振结构，防止激光自激震荡；

所述激光晶体包括掺杂激光晶体41和2块非掺杂激光晶体42，所述掺杂激光晶体为掺镱钇铝石榴石晶体，所述非掺杂激光晶体为钇铝石榴石晶体，所述激光晶体长度和宽度大于厚度，所述激光晶体厚为1mm，激光晶体厚度非常小使得散热距离极短，不会产生热梯度，确保输出光束为高质量光束，长度为500mm，宽度为200mm，所述非掺杂激光晶体42键合于掺杂激光晶体41的长高面上，非掺杂激光晶体的散热速度高于空气的，这样非掺杂激光晶体可以加快掺杂激光晶体两侧面的散热，避免出现热梯度，提高输出激光束的质量，所述的掺杂晶体41与非掺杂晶体42的键合方式为无胶键合，与掺杂激光晶体41并列设置，所述非掺杂激光晶体42的宽度为2mm，所述激光晶体的长高面上，即非掺杂晶体未键合的长高面，均镀有对泵浦激光和种子激光都具有高透过率的膜，在非掺杂激光晶体42表面镀膜，避免了掺杂晶体41热效应和热应力对膜的影响，从而增大了激光晶体表面损伤阈值；

所述泵浦模块2输出的泵浦激光横截面为长条矩形光斑，宽度小于激光晶体的厚度，为0.47mm，可提高泵浦激光的有效利用率。

实施例三：

如图1-3所示，一种板条激光放大器，包括种子激光模块1、泵浦模块2、增益介质模块4、双色镜模块，所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一51和双色镜二52，双色镜一51和双色镜二52的内、外表面均镀有对泵浦激光高透过率的膜，确保泵浦激光可以透过双色镜入射到激光晶体内，双色镜一51和双色镜二52的内表面均镀有对种子激光3高反射率的膜，确保种子激光不会在双色镜表面出射；所述增益介质模块4设于双色镜模块内侧，所述泵浦模块2包括平行排列的泵浦一21和泵浦二22，分别设于双色镜模块外侧，所述泵浦模块2、双色镜模块、增益介质模块4并列设置，所述种子激光模块1设于所述并列设置的模块一侧，所述增益介质模块4包括激光晶体和2块冷却热沉43，所述2块冷却热沉43分别与激光晶体的长宽侧面固定连接，2块冷却热沉43均为紫铜材质，其内部均有冷却液通道，2块冷却热沉43与激光晶体之间均垫有一层用来加强热的传导的薄的铟；

还包括反射镜模块6，所述反射镜模块6包括反射镜一61和反射镜二62，所述反射镜一61和反射镜二62设于所述种子激光模块1的对侧，所述反射镜一61和反射镜二62均为平面镜，所述反射镜一61和所述反射镜二62表面均镀有对种子激光3高反射率的膜，确保激光束一全部被反射回激光晶体，再次进行放大，所述双色镜一61或双色镜二62绕中心轴线旋转，使其之间呈100′角度设置，避免形成平平腔谐振结构，防止激光自激震荡；

所述激光晶体包括掺杂激光晶体41和2块非掺杂激光晶体42，所述掺杂激光晶体为掺钕钒酸钇晶体，所述非掺杂激光晶体为钒酸钇晶体，所述激光晶体长度和宽度大于厚度，所述激光晶体厚为1.5mm，激光晶体厚度非常小使得散热距离极短，不会产生热梯度，确保输出光束为高质量光束，长度为5mm，宽度为5mm，所述非掺杂激光晶体42键合于掺杂激光晶体41的长高面上，非掺杂激光晶体的散热速度高于空气的，这样非掺杂激光晶体可以加快掺杂激光晶体两侧面的散热，避免出现热梯度，提高输出激光束的质量，所述的掺杂晶体41与非掺杂晶体42的键合方式为无胶键合，与掺杂激光晶体41并列设置，所述非掺杂激光晶体42的宽度为0.5mm，所述激光晶体的长高面上，即非掺杂晶体未键合的长高面，均镀有对泵浦激光和种子激光都具有高透过率的膜，在非掺杂激光晶体42表面镀膜，避免了掺杂晶体41热效应和热应力对膜的影响，从而增大了激光晶体表面损伤阈值；

所述泵浦模块2输出的泵浦激光横截面为长条矩形光斑，宽度小于激光晶体的厚度，为0.49mm，可提高泵浦激光的有效利用率。

对比实验一：

用普通市售激光放大器和本实用新型的激光放大器对相同的种子激光进行放大，种子激光采用平均功率为5W的连续激光信号，对输出激光进行光束质量和强度的测试，并对普通激光放大器和本实用新型的激光放大器的表面损伤阈值进行了测试，测试结果如下表：

上述实验数据由中物院激光聚变研究中心先进激光技术及应用研究实验室提供。

通过如上测试结果对比，可以看出经过本实用新型的激光放大器放大的激光束平均功率明显大于普通激光放大器的，而光束质量因子大大降低，这说明本实用新型激光放大器放大的激光束输出功率大幅提高，泵浦激光增益的提取效率明显提高，输出激光的光束质量明显提高，最终得到了高输出功率和高光束质量的输出激光。本实用新型的激光放大器表面损伤阈值明显增大，说明在非掺杂晶体表面镀膜有效增大了激光放大器的表面损伤阈值。

对比实验二：

用普通市售激光放大器和本实用新型的激光放大器对相同的种子激光进行放大，种子激光采用平均功率为5W的脉冲激光信号，对输出激光进行光束质量和强度的测试，测试结果如下表：

测试项目	普通激光放大器	实施例一	实施例二	实施例三
					平均功率/W	200	1018	876	720
脉冲能量/mJ	5.0	15.6	14.1	13.8
					光束质量因子	2.20	1.52	1.43	1.31

上述实验数据由中物院激光聚变研究中心先进激光技术及应用研究实验室提供。

通过如上测试结果对比，可以看出经过本实用新型的激光放大器放大的激光束平均功率和脉冲能量明显大于普通激光放大器的，而光束质量因子大大降低，这说明本实用新型激光放大器放大的激光束输出功率大幅提高，泵浦激光增益的提取效率明显提高，输出激光的光束质量明显提高，最终得到了高输出功率和高光束质量的输出激光。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种板条激光放大器，包括种子激光模块、泵浦模块、增益介质模块、双色镜模块，所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一和双色镜二，所述增益介质模块设于双色镜模块内侧，所述泵浦模块包括平行排列的泵浦一和泵浦二，分别设于双色镜模块外侧，所述泵浦模块、双色镜模块、增益介质模块并列设置，所述种子激光模块设于所述并列设置的模块一侧，所述增益介质模块包括激光晶体和2块冷却热沉，所述2块冷却热沉分别与激光晶体的长宽两个侧面固定连接，其特征在于：

还包括反射镜模块，所述反射镜模块包括反射镜一和反射镜二，所述反射镜一和反射镜二设于所述种子激光模块的对侧，所述反射镜一和反射镜二均为平面镜；

所述激光晶体包括掺杂激光晶体和2块非掺杂激光晶体，所述激光晶体长度和宽度大于厚度，所述激光晶体厚为0.5-1.5mm，所述非掺杂晶体键合于掺杂激光晶体的长高面上，与掺杂激光晶体并列设置，所述非掺杂晶体的宽度为0.5-5.0mm；

所述泵浦模块输出的泵浦激光横截面为长条矩形光斑，宽度小于激光晶体的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于：所述反射镜一和所述反射镜二表面均镀有对种子激光高反射率的膜。

3.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于：所述掺杂晶体与非掺杂晶体的键合方式为无胶键合。

4.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于：所述激光晶体的长高面上均镀有对泵浦激光和种子激光都具有高透过率的膜。

5.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于：所述双色镜一或双色镜二绕中心轴线旋转，使其之间呈1′-100′角度设置。

6.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于：所述激光晶体的长度为5-1000mm，宽度为5-500mm。

7.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于：所述非掺杂激光晶体为钇铝石榴石晶体、钒酸钇晶体中的一种。

8.根据权利要求1或7所述的一种板条激光放大器，其特征在于：所述掺杂激光晶体为以非掺杂激光晶体为基质材料，并掺杂钕、镱中的一种元素。