CN204179477U - 一种板条激光放大器 - Google Patents

Abstract

一种板条激光放大器，包括种子激光模块、泵浦模块、增益介质模块和双色镜模块，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，所述增益介质模块包括激光晶体和两块冷却热沉，所述激光晶体为掺杂激光晶体与两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，采用全固态紧凑结构，成本低，能够增强激光晶体表面损伤阈值，提高泵浦增益利用率和泵浦耦合效率，最终获得高输出功率、高光束质量的连续或脉冲激光。

Description

一种板条激光放大器

技术领域

本实用新型属于固体激光放大器技术领域，具体地说涉及一种板条激光放大器。

背景技术

目前，人们利用激光放大器，对高光束质量而输出功率较低的种子激光束进行功率放大，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，主要包括：1、在纵向进行拉长，即光纤激光放大器；2、在纵向进行压缩，即叠片激光放大器；3、将激光增益介质做成板条状，其厚度较小，宽度和长度较大，即板条激光器。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；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；板条激光放大器由于不存在以上限制在大功率激光放大，特别是超短脉冲激光的放大方面有很大的优势。

现有的板条激光放大器，由于板条状的激光晶体厚度仍较大，依然存在热问题，如何对其进行更高效的散热，以增强激光晶体表面损伤阈值，提高泵浦增益利用率和泵浦耦合效率，最终获得高输出功率、高光束质量的连续激光，是一个值得深入研究的技术问题。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种散热效率高、激光损伤阈值高、泵浦增益利用率高和泵浦耦合效率高的板条激光放大器。

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、增益介质模块和双色镜模块，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两块冷却热沉，所述两块冷却热沉分别与激光晶体的长宽两个侧面固定连接；

所述激光晶体包括掺杂激光晶体和两块非掺杂激光晶体，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，所述两块非掺杂激光晶体分别键合于掺杂激光晶体的长高两个侧面,与掺杂激光晶体并列设置；

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，所述双色镜一和双色镜二表面均镀有对泵浦激光高透过率的膜，其内表面均镀有对种子激光高反射率的膜。

进一步，所述掺杂激光晶体与非掺杂激光晶体的键合方式为无胶键合。

进一步，所述激光晶体的长高两个侧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，所述非掺杂激光晶体的宽度为0.5-5mm，所述掺杂激光晶体的宽度为4-490mm。

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。

进一步，所述两块冷却热沉与激光晶体之间均设置有一层铟。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型具有增强激光晶体表面损伤阈值的特点；

2、本实用新型具有泵浦增益利用率高，泵浦耦合效率高的特点；

3、本实用新型具有可以获得高输出功率、高光束质量的连续或脉冲激光；

4、本实用新型为全固态紧凑结构，具有结构简单、成本低的特点。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型增益介质模块的前视图；

图3是本实用新型增益介质模块的侧视图。

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。

一种板条激光放大器，包括种子激光模块、泵浦模块、增益介质模块和双色镜模块，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两块冷却热沉，所述两块冷却热沉分别与激光晶体的长宽两个侧面固定连接；

所述激光晶体包括掺杂激光晶体和两块非掺杂激光晶体，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，所述两块非掺杂激光晶体分别键合于掺杂激光晶体的长高两个侧面,与掺杂激光晶体并列设置；

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。

所述种子激光模块包括种子激光器和种子激光耦合模块，所述种子激光器输出的激光作为种子激光，所述种子激光经过激光耦合模块整形成准直光束，作为激光放大器的输入激光，所述种子激光为连续激光，并以与入射面法线呈5-30°夹角的方向入射，其入射时的平均功率为5W，所述种子激光的光斑直径小于激光晶体的厚度，所述激光晶体厚为0.5-1.5mm，长度为5-1000mm，宽度为5-500mm，从而提高所述种子激光的利用率。

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，所述泵浦模块一和泵浦二分别包括激光二极管阵列一、泵浦激光耦合模块一和激光二极管阵列二、泵浦激光耦合模块二，所述激光二极管阵列一或者二输出的激光束为泵浦激光束，所述泵浦激光束经过泵浦激光耦合模块一或者二的整形作用后，形成泵浦激光，所述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，所述激光晶体厚为0.5-1.5mm，长度为5-1000mm，宽度为5-500mm，提高所述泵浦激光的增益利用率。

所述激光晶体包括掺杂激光晶体和两块非掺杂激光晶体，所述两块非掺杂激光晶体分别键合于掺杂激光晶体的长高两个侧面,与掺杂激光晶体并列设置，对所述掺杂激光晶体的长高侧面进行散热，降低所述掺杂激光晶体的热梯度，提高增益效果，所述非掺杂激光晶体对入射的泵浦激光没有吸收，而所述掺杂激光晶体对入射的泵浦激光具有吸收作用，从而产生激光增益，其能对通过的种子激光进行增益放大，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，提高了所述泵浦激光和种子激光的利用率，同时避免了激光增益区对膜的影响，从而增强了激光晶体表面损伤阈值；

所述激光晶体厚为0.5-1.5mm，使得其散热距离短，其长宽表面的面积大，使得散热面积也大，促使所述激光晶体内部避免了热的聚集，温度均匀，不能形成温度梯度，从而消除了热透镜效应对所述激光放大器的影响。

下面结合附图和较佳的实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例一：

如图1至图3所示，一种板条激光放大器，包括种子激光器1、种子激光耦合模块2、种子激光3、增益介质模块4、双色镜一5、双色镜二6、泵浦激光耦合模块一7、激光二极管阵列一9、泵浦激光耦合模块二8、激光二极管阵列二10、掺杂激光晶体11、非掺杂激光晶体12、冷却热沉13、输出激光14。

所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一5和双色镜二6，所述增益介质模块4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，所述泵浦模块一和泵浦二分别包括激光二极管阵列一9、泵浦激光耦合模块一7和激光二极管阵列二10、泵浦激光耦合模块二8，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4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；

所述种子激光模块包括种子激光器1和种子激光耦合模块2，所述增益介质模块4包括激光晶体和两块冷却热沉13，两块冷却热沉13均为黄铜材质，内部均有冷却液通道，分别与激光晶体的长宽两个侧面固定连接，所述激光晶体和两块冷却热沉13之间均设置有一层薄的铟，用来加强所述激光晶体热的传导，提高所述冷却热沉13的散热效率，所述激光晶体包括掺杂激光晶体11和两块非掺杂激光晶体12，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，所述非掺杂激光晶体12分别键合于掺杂激光晶体11的长高两个侧面,与掺杂激光晶体11并列设置。

所述种子激光3以与入射面法线呈5°的角度入射至激光放大器系统后，首先到达所述增益介质模块4，所述增益介质模块4包括激光晶体和两块冷却热沉13，所述种子激光3经过激光晶体的折射后，到达所述双色镜二6，其内表面镀有对所述种子激光3高反射率的膜，经过所述双色镜二6的全反射作用后，所述种子激光3重新反射到激光晶体经折射后，到达所述双色镜一5，其内表面镀有对所述种子激光3高反射率的膜，所述种子激光3经过所述双色镜一5的全反射作用后，再次反射到激光晶体，通过所述双色镜一5和双色镜二6的全反射作用，增加了所述种子激光3在激光晶体中的总反射次数，所述双色镜一5或双色镜二6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；

在所述种子激光3折叠传输的过程中，所述泵浦激光经过双色镜一5和双色镜二6，所述双色镜一5和双色镜二6的表面均镀有对泵浦激光高透过率的膜，提高所述泵浦激光的利用率，所述泵浦激光经过非掺杂激光晶体12传输到掺杂激光晶体11，所述掺杂激光晶体11对入射的泵浦激光具有吸收作用，从而产生激光增益，所述种子激光3在激光晶体内部折叠传输的过程中，其传输区域基本覆盖所有增益区间，增加了所述种子激光3的增益放大效率，从而提高了所述激光放大器的泵浦耦合效率；

所述种子激光3经过增益效益后，最终得到高输出功率、高光束质量的连续输出激光14。

下面结合附图和较佳的实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例二：

如图1至图3所示，一种板条激光放大器，包括种子激光器1、种子激光耦合模块2、种子激光3、增益介质模块4、双色镜一5、双色镜二6、泵浦激光耦合模块一7、激光二极管阵列一9、泵浦激光耦合模块二8、激光二极管阵列二10、掺杂激光晶体11、非掺杂激光晶体12、冷却热沉13、输出激光14。

所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一5和双色镜二6，所述增益介质模块4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，所述泵浦模块一和泵浦二分别包括激光二极管阵列一9、泵浦激光耦合模块一7和激光二极管阵列二10、泵浦激光耦合模块二8，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4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；

所述种子激光模块包括种子激光器1和种子激光耦合模块2，所述增益介质模块4包括激光晶体和两块冷却热沉13，两块冷却热沉13均为紫铜材质，内部均有冷却液通道，分别与激光晶体的长宽两个侧面固定连接，所述激光晶体和两块冷却热沉13之间均设置有一层薄的铟，用来加强所述激光晶体热的传导，提高所述冷却热沉13的散热效率，所述激光晶体包括掺杂激光晶体11和两块非掺杂激光晶体12，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，所述非掺杂激光晶体12分别键合于掺杂激光晶体11的长高两个侧面,与掺杂激光晶体11并列设置。

所述种子激光3以与入射面法线呈15°的角度入射至激光放大器系统后，首先到达所述增益介质模块4，所述增益介质模块4包括激光晶体和两块冷却热沉13，所述种子激光3经过激光晶体的折射后，到达所述双色镜二6，其内表面镀有对所述种子激光3高反射率的膜，经过所述双色镜二6的全反射作用后，所述种子激光3重新反射到激光晶体经折射后，到达所述双色镜一5，其内表面镀有对所述种子激光3高反射率的膜，所述种子激光3经过所述双色镜一5的全反射作用后，再次反射到激光晶体，通过所述双色镜一5和双色镜二6的全反射作用，增加了所述种子激光3在激光晶体中的总反射次数，所述双色镜一5或双色镜二6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；

在所述种子激光3折叠传输的过程中，所述泵浦激光经过双色镜一5和双色镜二6，所述双色镜一5和双色镜二6的表面均镀有对泵浦激光高透过率的膜，提高所述泵浦激光的利用率，所述泵浦激光经过非掺杂激光晶体12传输到掺杂激光晶体11，所述掺杂激光晶体11对入射的泵浦激光具有吸收作用，从而产生激光增益，所述种子激光3在激光晶体内部折叠传输的过程中，其传输区域基本覆盖所有增益区间，增加了所述种子激光3的增益放大效率，从而提高了所述激光放大器的泵浦耦合效率；

所述种子激光3经过增益效益后，最终得到高输出功率、高光束质量的连续输出激光14。

实施例三：

如图1至图3所示，一种板条激光放大器，包括种子激光器1、种子激光耦合模块2、种子激光3、增益介质模块4、双色镜一5、双色镜二6、泵浦激光耦合模块一7、激光二极管阵列一9、泵浦激光耦合模块二8、激光二极管阵列二10、掺杂激光晶体11、非掺杂激光晶体12、冷却热沉13、输出激光14。

所述双色镜模块包括平行排列的双色镜一5和双色镜二6，所述增益介质模块4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，所述泵浦模块一和泵浦二分别包括激光二极管阵列一9、泵浦激光耦合模块一7和激光二极管阵列二10、泵浦激光耦合模块二8，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4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；

所述种子激光模块包括种子激光器1和种子激光耦合模块2，所述增益介质模块4包括激光晶体和两块冷却热沉13，两块冷却热沉13均为紫铜材质，内部均有冷却液通道，分别与激光晶体的长宽两个侧面固定连接，所述激光晶体和两块冷却热沉13之间均设置有一层薄的铟，用来加强所述激光晶体热的传导，提高所述冷却热沉13的散热效率，所述激光晶体包括掺杂激光晶体11和两块非掺杂激光晶体12，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，所述非掺杂激光晶体12分别键合于掺杂激光晶体11的长高两个侧面,与掺杂激光晶体11并列设置。

所述种子激光3以与入射面法线呈30°的角度入射至激光放大器系统后，首先到达所述增益介质模块4，所述增益介质模块4包括激光晶体和两块冷却热沉13，所述种子激光3经过激光晶体的折射后，到达所述双色镜二6，其内表面镀有对所述种子激光3高反射率的膜，经过所述双色镜二6的全反射作用后，所述种子激光3重新反射到激光晶体经折射后，到达所述双色镜一5，其内表面镀有对所述种子激光3高反射率的膜，所述种子激光3经过所述双色镜一5的全反射作用后，再次反射到激光晶体，通过所述双色镜一5和双色镜二6的全反射作用，增加了所述种子激光3在激光晶体中的总反射次数，所述双色镜一5或双色镜二6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；

在所述种子激光3折叠传输的过程中，所述泵浦激光经过双色镜一5和双色镜二6，所述双色镜一5和双色镜二6的表面均镀有对泵浦激光高透过率的膜，提高所述泵浦激光的利用率，所述泵浦激光经过非掺杂激光晶体12传输到掺杂激光晶体11，所述掺杂激光晶体11对入射的泵浦激光具有吸收作用，从而产生激光增益，所述种子激光3在激光晶体内部折叠传输的过程中，其传输区域基本覆盖所有增益区间，增加了所述种子激光3的增益放大效率，从而提高了所述激光放大器的泵浦耦合效率；

所述种子激光3经过增益效益后，最终得到高输出功率、高光束质量的连续输出激光14。

实验一：

采用本实用新型中所述的种子激光入射到普通激光放大器，所述种子激光为连续激光，并以与入射面法线呈5-30°夹角的方向入射，其入射时的平均功率为5W，经过普通激光放大器的增益放大后，输出激光标记为A；本实用新型涉及到的板条激光放大器，由实施例一中的输出激光标记为B，由实施例二中的输出激光标记为C，由实施例三中的输出激光标记为D，经过分析，得出实验数据如下：

	平均功率(W)	光束质量因子
			输出激光A	200	2.2
输出激光B	500	1.52

输出激光C	460	1.48
			输出激光D	380	1.36

上述实验在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进行

由此可见，输出激光B、C和D的平均功率明显大于输出激光A，而光束质量因子明显低于输出激光A，说明本实用新型涉及到的板条激光放大器输出的激光平均功率和光束质量大幅提高，泵浦激光增益的提取效率明显提高，最终得到了高输出功率和高光束质量的连续激光。

实验二：

将本实用新型中所述的种子激光改为脉冲激光，以与入射面法线呈5-30°夹角的方向入射，其入射时的平均功率为5W，经过普通激光放大器的增益放大后，输出激光标记为A；经本实用新型涉及到的板条激光放大器的增益放大后，由实施例一中的输出激光标记为B，由实施例二中的输出激光标记为C，由实施例三中的输出激光标记为D，经过分析，得出实验数据如下：

	平均功率(W)	光束质量因子	脉冲能量(MJ)
				输出激光A	200	2.2	5
输出激光B	500	1.54	10
				输出激光C	470	1.49	9
输出激光D	360	1.35	8

上述实验在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进行

由此可见，输出激光B、C和D的平均功率和脉冲能量明显大于输出激光A，光束质量因子明显低于输出激光A，说明本实用新型涉及到的板条激光放大器输出的激光平均功率、光束质量和脉冲能量大幅提高，泵浦激光增益的提取效率明显提高，最终得到了高输出功率、高光束质量和高脉冲能量的脉冲激光。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种板条激光放大器，包括种子激光模块、泵浦模块、增益介质模块和双色镜模块，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两块冷却热沉，所述两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：

所述激光晶体包括掺杂激光晶体和两块非掺杂激光晶体，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，所述两块非掺杂激光晶体分别键合于掺杂激光晶体的长高两个侧面,与掺杂激光晶体并列设置；

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:所述双色镜一和双色镜二表面均镀有对泵浦激光高透过率的膜，其内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:所述掺杂激光晶体与非掺杂激光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两个侧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，所述非掺杂激光晶体的宽度为0.5-5mm，所述掺杂激光晶体的宽度为4-490mm。

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。

9.根据权利要求1所述的一种板条激光放大器，其特征在于:所述两块冷却热沉与激光晶体之间均设置有一层铟。