CN208385826U - 一种片状激光放大器和片箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光领域，尤其涉及一种片状激光放大器和片箱。包括片箱、灯箱和洁净厢体。所述片箱内安装有增益介质，包括框架构件、气体导流盒、顶部反射器与底部反射器；所述灯箱包括氙灯、电缆接插件与隔板玻璃；所述片箱为2个，分别为第一片箱和第二片箱；所述灯箱为3个，分别为第一侧灯箱、第二侧灯箱和第一中灯箱。所述片箱内增益介质沿垂直方向4片叠加。所述片箱、灯箱与端镜固定连接在所述洁净厢体的内部，所述2个片箱与3个灯箱按序分别为第一侧灯箱、第一片箱、第一中灯箱、第一中灯箱、第二片箱与第二侧灯箱。本实用新型的组合式片状激光放大器结构紧凑，效率高，小信号增益系数大，增益均匀性好。

Description

一种片状激光放大器和片箱

技术领域

本实用新型涉及激光领域，尤其涉及一种片状激光放大器和片箱。

背景技术

在高功率固体激光驱动器30多年的发展历程中，激光驱动器技术得到了飞速的发展，特别是在激光惯性约束聚变技术的激励下，世界许多国家的重要单位和实验室都对各种规模和各种水平的超高功率激光驱动器进行了大量研究，比如美国利弗莫尔实验室、法国里梅尔实验室、日本大阪大学激光工程中心等。其中，美国利弗莫尔实验室研制的高功率激光驱动器代表了世界最高水平，从70 年代开始先后建造了Janus、Argus、Shiva、Nova和NIF等固体激光器系统，大口径片状激光放大器取得了巨大发展。在这些激光驱动器中，非常重要的一个模块是片状激光放大器，它主要解决装置纵向能流传递转换问题，是整个驱动器的核心部分。衡量片状放大器的重要参数有小信号增益系数、增益均匀性、转换效率等，其增益性能的好坏直接影响装置的输出能量和功率，转换效率的高低则影响装置的性价比，片状放大器对系统的总体性能有着重要影响。

实用新型内容

实用新型的目的：为了提供一种效果更好的一种片状激光放大器和片箱，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。

为了达到如上目的，本实用新型采取如下技术方案：

一种激光放大器片箱，包含增益介质，增益介质位于片箱2中，片箱2包括增益介质21、气体导流盒22、顶部反射器23、底部反射器24与框架支撑件25；增益介质21为掺钕磷酸盐钕玻璃片；沿宽度方向即垂直于激光照射方向上4片叠加排列，相邻两片中心间距为430±2mm；气体导流盒22位于框架支撑件25的上方用于从顶部流入氮气的引导；框架支撑件25上方包含顶部反射器23，底部包含底部反射器24，顶部反射器23和底部反射器24先镀有Ag层，然后镀有 SiO2膜层，镀层能够提高对泵浦光的反射作用，同时也能够避免Ag层在空气中硫化。

一种片状激光放大器，包含洁净箱体1，第一侧灯箱、增益介质、第一中灯箱、增益介质、第二侧灯箱布置在洁净箱体1的宽度方向上；依次分布的第一中灯箱3、增益介质、第一侧灯箱、增益介质、第二侧灯箱；增益介质位于片箱中，增益介质21倾斜放置，入射激光8与增益介质表面法线7夹角为增益介质 21对波长为1053nm的光折射率对应的布儒斯特角，第一中灯箱、第一侧灯箱与第二侧灯箱分别从两侧对增益介质21进行泵浦，片箱、第一中灯箱3、第一侧灯箱与第二侧灯箱均通过导轨和锁紧连接装置安装固定在洁净箱体1内部。

本实用新型进一步技术方案在于，第一侧灯箱与第二侧灯箱氙灯为14支，氙灯外径为37±0.3mm，壁厚2.5-3mm，气压160±5Torr，氙灯电极间长度为 1800mm-1855mm，并且等间距排列，排列宽度范围为640±5mm。

本实用新型进一步技术方案在于，第一中灯箱氙灯为12支，氙灯外径为 37±0.3mm，壁厚2.5-3mm，气压160±5Torr，氙灯电极间长度为 1800mm-1855mm，并且等间距排列，排列宽度范围为640±5mm。

本实用新型进一步技术方案在于，2支氙灯串联为一个放电回路，放电回路的工作电压为28-31.5kV，电容为200-150μF/回路。

本实用新型进一步技术方案在于，洁净箱体1是全部结构的主承力件，洁净箱体1相对气密，洁净箱体1内部洁净度优于100级。

本实用新型进一步技术方案在于，片箱2包括增益介质21、气体导流盒 22、顶部反射器23、底部反射器24与框架支撑件25；增益介质21安装于片箱中，增益介质21为掺钕磷酸盐钕玻璃片；沿宽度方向即垂直于激光照射方向上 4片叠加排列，相邻两片中心间距为430±2mm；气体导流盒22位于框架支撑件 25的上方用于从顶部流入氮气的引导；框架支撑件25上方包含顶部反射器23，底部包含底部反射器24，顶部反射器23和底部反射器24先镀有Ag层，然后镀有SiO2膜层，镀层能够提高对泵浦光的反射作用，同时也能够避免Ag层在空气中硫化。

本实用新型进一步技术方案在于，第一侧灯箱与第二侧灯箱各自包括侧侧灯箱背板41、侧灯箱框架42、隔板玻璃密封条43、第一隔板玻璃压框44、第一隔板玻璃支撑板45与反射器；侧灯箱框架42上组装有氙灯9，氙灯灯线连接件10与隔板玻璃11；隔板玻璃11的内表面和外表面均镀有增透的宽带化学膜，宽带是指从400nm-1000nm范围的光谱带，使得氙灯光平均透过率大于94％；通过隔板玻璃密封条43、第一隔板玻璃压框44与第一隔板玻璃支撑板45的组合，将隔板玻璃安装固定于侧灯箱框架42上，能够防止灯箱与外部的交叉污染；第一隔板玻璃压框44、隔板玻璃密封条43、隔板玻璃11、第一隔板玻璃支撑板45、侧灯箱框架42和侧灯箱背板41依次贴合，反射器与侧灯箱背板41连接为整体，安装固定于侧灯箱框架42上，具有气密性；两支氙灯串联为一个放电回路，灯线的连接由氙灯灯线连接件10完成，并安装固定于侧灯箱框架42上；顶部与底部设置有气体流入流出口。

本实用新型进一步技术方案在于，第一中灯箱包括第二隔板玻璃支撑板 31，第二隔板玻璃压框32与中灯箱框架33，组装有氙灯9，氙灯灯线连接件10 与隔板玻璃11，隔板玻璃11的内表面和外表面均镀有增透的宽带化学膜，宽带是指从400nm-1000nm范围的光谱带，使得氙灯光平均透过率大于94％；通过第二隔板玻璃压框32与第二隔板玻璃支撑板31的组合作用，将隔板玻璃11安装固定于中灯箱框架33上，使得整个模块具有气密性，能够有效防止灯箱与外部的交叉污染；第二隔板玻璃压框32、隔板玻璃11、第二隔板玻璃支撑板31、中灯箱框架33、隔板玻璃11、第二隔板玻璃压框32依次分布；中灯箱框架33上布置有氙灯，两支氙灯串联为一个放电回路，灯线的连接由氙灯灯线连接件10 完成，氙灯灯线连接件10固定于中灯箱框架33上；顶部与底部设置有气体流入流出口。

本实用新型进一步技术方案在于，3-11个上述放大器组合在一起，在整体的入射端与出射端设置有端镜，端镜的表面法线与入射激光成夹角。

采用如上技术方案的本实用新型，相对于现有技术有如下有益效果：本专利结构紧凑，效率高，小信号增益系数大，增益均匀性好。

附图说明

为了进一步说明本实用新型，下面结合附图进一步进行说明：

图1为本实用新型的整体结构示意爆炸图；

图2为本实用新型的片箱结构示意图；

图3为本实用新型的增益介质沿宽度方向4片叠加组合式示意图；

图4为本实用新型的灯箱与灯箱排列基本关系示意图；

图5为本实用新型的第一中灯箱结构示意图；

图6为本实用新型的侧灯箱结构示意图；

图中：1—洁净箱体，11—隔板玻璃，2—片箱，21—增益介质，22—气体导流盒，23—顶部反射器，24—底部反射器，25—框架支撑件，3—第一中灯箱，31—第二隔板玻璃支撑板，32—第二隔板玻璃压框，33—中灯箱框架，4—第一侧灯箱， 41—侧灯箱背板，42—侧灯箱框架，43—隔板玻璃密封条，44—第一隔板玻璃压框，45—第一隔板玻璃支撑板，5—第二侧灯箱，7—增益介质表面法线，8—入射激光，9—氙灯，10—氙灯灯线连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

一种组合式片状激光放大器，包括片箱、灯箱、端镜和洁净箱体1。片箱内安装有增益介质，包括框架构件、气体导流盒、顶部反射器与底部反射器；灯箱包括氙灯、电缆接插件与隔板玻璃11；片箱为2个，分别为第一片箱和第二片箱；灯箱为3个，分别为第一侧灯箱、第二侧灯箱和第一中灯箱。片箱内增益介质沿垂直方向4片叠加，如图1所示。片箱、灯箱与端镜固定连接在洁净箱体 1的内部，2个片箱与3个灯箱排列基本关系如图2所示，按序分别为第一侧灯箱、第一片箱、第一中灯箱、第一中灯箱、第二片箱与第二侧灯箱。

进一步，增益介质尺寸为长(810±1.5)mm×宽(460±1.0)mm×厚 (40±0.5)mm，增益介质表面法线与入射激光的夹角为布儒斯特角。

进一步，增益介质沿宽度方向4片叠加为一组，相邻两片中心间距为 430±2mm。

进一步，增益介质共两组，中心间距为430±2mm，夹角为2×(90° -增益介质1053nm折射率对应的布儒斯特角)；

进一步，第一侧灯箱与第二侧灯箱氙灯为14支，氙灯外径为37±0.3mm，壁厚2.5-3mm，气压(160±5)Torr，氙灯电极间长度为1800mm-1855mm，并且等间距排列，排列宽度范围为640±5mm。

进一步，第一中灯箱氙灯为12支，氙灯外径为37±0.3mm，壁厚 2.5-3mm，气压(160±5)Torr，氙灯电极间长度为1800mm-1855mm，并且等间距排列，排列宽度范围为640±5mm。

进一步，2支氙灯串联为一个放电回路，放电回路的工作电压为 28-31.5kV，电容为200-150μF/回路，放电电流形状为临界阻尼脉冲波形，电流时间宽度为430-470us。

进一步，第一侧灯箱与第二侧灯箱还包括第一反射器，除隔板玻璃11 所在的侧面外，第一侧灯箱与第二侧灯箱的内侧面设有第一反射器，第一反射器表面镀有Ag与SiO₂膜层。

进一步，隔板玻璃11的内表面和外表面分别镀有对400nm-1000nm光谱增透的宽带化学膜。

本实用新型的进一步解释如下：

1、第一侧灯箱和第二侧灯箱采用14支氙灯等间距排列，第一中灯箱采用12支的氙灯等间距排列，氙灯外径为37±0.3mm，壁厚2.5-3mm，相同氙灯工作负载下，可提供更高的泵浦能量与泵浦功率，系统工作稳定可靠；

2、2支氙灯串联为一个放电回路，放电回路的工作电压为28-31.5kV，电容为 200-150μF/回路，放电电流形状为临界阻尼脉冲波形，电流时间宽度为 430-470us，相同氙灯工作负载下，工作电压为28-31.5kV能够帮助放电回路更好实现临界阻尼匹配；氙灯光谱与掺钕磷酸盐激光玻璃吸收谱匹配性更好，同时氙灯电离等离子体对光谱损耗更低，提高了增益介质泵浦能量与功率密度，泵浦脉宽与掺钕磷酸盐激光玻璃激光上能级荧光寿命有较好匹配，提高了掺钕磷酸盐激光玻璃激光上能级储能转换效率，提高了增益介质的小信号增益系数；

3、灯箱中除了隔板玻璃11面的其余各面均设有反射器，反射器镀有Ag膜层，增加了对400nm-1000nm泵浦光的反射，使泵浦光最大程度的反射到增益介质表面，提高了泵浦效率；

4、反射器表面镀有SiO₂膜层，具有保护其内侧的镀银层的作用，防止镀银层在空气中硫化导致的反射率降低现象，保证了片状激光放大器长期工作的增益稳定性；

5、氙灯外壁到隔板玻璃11表面间距为15-20mm，氙灯外壁到反射器间距为 2.8-3.8mm，氙灯外壁到增益介质表面间距为270-290mm，片箱内部高度方向间距为1800mm-1850mm，沿激光方向整体宽度为790-850mm，整个片状激光放大器结构更为紧凑，改善了增益均匀性，提高了泵浦效率；

6、3-11个上述放大器模块组合在一起，相邻模块的灯箱可互相加强增益介质长度方向边缘位置的泵浦，改善了增益均匀性。

片状激光放大器的工作过程为：首先通过市电给激光放大器的能源模块充电，待充电电量达到要求后，能源模块放电开关打开，能源模块给氙灯回路放电，氙灯9通过电离辐射将电能转化为光能照射到钕玻璃片上；钕离子吸收氙灯光能，通过辐射跃迁在增益介质21内的激光上下能级之间形成粒子数反转，使增益介质21获得足够的储能；当储能达到最大时刻，入射激光8脉冲通过增益介质时，钕离子由高能级向低能级受激辐射跃迁，实现激光的放大。

激光放大器运行完毕后，对增益介质采用洁净度优于100级的氮气进行吹扫，以促进热畸变的恢复与避免气溶胶在其表面的附着，同时用洁净干燥空气吹扫灯箱，促进其热恢复。

如图1所示，一种组合式片状激光放大器，包括洁净箱体1、片箱2、第一侧灯箱4、第一中灯箱3、第二侧灯箱5。洁净箱体1是全部结构的主承力件，具有足够的刚度与强度；洁净箱体1具有一定的气密性，以保证其内部的洁净度与湿度条件；洁净箱体1内部洁净度优于100级。端镜1侧挂于洁净箱体1两端，激光从端镜表面入射与出射，同时起到密封作用。片箱2、第一侧灯箱4、第一中灯箱3与第二侧灯箱5按相应几何位置关系安装固定于洁净箱体1内部。

如图2所示，一种组合式片状激光放大器，增益介质21倾斜放置，第一中灯箱3、第一侧灯箱4与第二侧灯箱5分别从两侧对增益介质21进行泵浦。入射激光8与增益介质表面法线7夹角为增益介质21对1053nm光折射率对应的布儒斯特角。

如图3与图4所示，一种组合式片状激光放大器，片箱2包括增益介质 21、气体导流盒22、顶部反射器23、底部反射器24与框架支撑件25。增益介质21为掺钕磷酸盐钕玻璃片，尺寸为长(810±1.5)mm×宽(460±1.0)mm ×厚(40±0.5)mm，沿宽度方向4片叠加排列，相邻两片中心间距为430±2mm；气体导流盒22用于从顶部流入氮气的引导；顶部反射器23与底部反射器24先镀有Ag层，然后镀有SiO₂膜层，既提高了对泵浦光的反射作用，使得泵浦效率更高，同时也避免了Ag层在空气中硫化，保证了片状激光放大器长期工作的稳定性；框架支撑件25具有足够刚度与强度，保证了片箱2整体结构稳定性。

如图5所示，第一中灯箱3包括第二隔板玻璃支撑板31，第二隔板玻璃压框32与中灯箱框架33，组装有氙灯9，氙灯灯线连接件10与隔板玻璃6。隔板玻璃6的内表面和外表面均镀有增透的宽带化学膜，宽带是指从 400nm-1000nm范围的光谱带，使得氙灯光平均透过率大于94％。通过第二隔板玻璃压框32与第二隔板玻璃支撑板31的组合作用，将隔板玻璃11安装固定于中灯箱框架33上，使得整个模块具有一定气密性，有效防止了灯箱与外部的交叉污染。2支氙灯串联为一个放电回路，灯线的连接由氙灯灯线连接件10完成，并安装固定于中灯箱框架33上。顶部与底部设置有气体流入流出口。

如图6所示，侧灯箱包括侧灯箱背板41，侧灯箱框架42，隔板玻璃密封条43，第一隔板玻璃压框44，第一隔板玻璃支撑板45与反射器(图中未给出)，组装有氙灯9，氙灯灯线连接件10与隔板玻璃11。隔板玻璃11的内表面和外表面均镀有增透的宽带化学膜，宽带是指从400nm-1000nm范围的光谱带，使得氙灯光平均透过率大于94％。通过隔板玻璃密封条43，第一隔板玻璃压框44与第一隔板玻璃支撑板45的组合作用，将隔板玻璃11安装固定于侧灯箱框架42上，使得整个模块具有一定气密性，有效防止了灯箱与外部的交叉污染。反射器与侧灯箱背板41连接为整体，安装固定于侧灯箱框架42上，具有气密性作用。2支氙灯串联为一个放电回路，灯线的连接由氙灯灯线连接件10完成，并安装固定于侧灯箱框架42上。顶部与底部设置有气体流入流出口。

开创性地，以上各个效果独立存在，还能用一套结构完成上述结果的结合。

以上结构实现的技术效果实现清晰，如果不考虑附加的技术方案，本专利名称还可以是一种新型光学结构。图中未示出部分细节。

需要说明的是，本专利提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不相互制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互组合，达到多个效果共同实现。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种激光放大器片箱，其特征在于，所述片箱包括增益介质(21)、气体导流盒(22)、顶部反射器(23)、底部反射器(24)与框架支撑件(25)；增益介质(21)为掺钕磷酸盐钕玻璃片；沿宽度方向即垂直于激光照射方向上4片叠加排列，相邻两片中心间距为430±2mm；气体导流盒(22)位于框架支撑件(25)的上方用于从顶部流入氮气的引导；框架支撑件(25)上方包含顶部反射器(23)，底部包含底部反射器(24)，顶部反射器(23)和底部反射器(24)先镀有Ag层，然后镀有SiO2膜层。

2.一种片状激光放大器，其特征在于，包含洁净箱体(1)，第一侧灯箱、增益介质、第一中灯箱、增益介质、第二侧灯箱布置在所述洁净箱体(1)的宽度方向上；第一中灯箱(3)、增益介质、第一侧灯箱、增益介质、第二侧灯箱依次分布；所述增益介质(21)位于片箱中，增益介质(21)倾斜放置，入射激光(8)与增益介质表面法线(7)夹角为增益介质(21)对波长为1053nm的光折射率对应的布儒斯特角，第一中灯箱、第一侧灯箱与第二侧灯箱分别从两侧对增益介质(21)进行泵浦，片箱、第一中灯箱(3)、第一侧灯箱与第二侧灯箱均通过导轨和锁紧连接装置安装固定在所述洁净箱体(1)内部。

3.如权利要求2所述的一种片状激光放大器，其特征在于，所述第一侧灯箱与第二侧灯箱氙灯为14支，氙灯外径为37±0.3mm，壁厚2.5-3mm，气压160±5Torr，氙灯电极间长度为1800mm-1855mm，并且等间距排列，排列宽度范围为640±5mm。

4.如权利要求2所述的一种片状激光放大器，其特征在于，所述第一中灯箱氙灯为12支，氙灯外径为37±0.3mm，壁厚2.5-3mm，气压160±5Torr，氙灯电极间长度为1800mm-1855mm，并且等间距排列，排列宽度范围为640±5mm。

5.如权利要求3或者4所述的一种片状激光放大器，其特征在于，2支氙灯串联为一个放电回路，所述放电回路的工作电压为28-31.5kV，电容为200-150μF/回路。

6.如权利要求2所述的一种片状激光放大器，其特征在于，所述洁净箱体(1)是全部结构的主承力件。

7.如权利要求2所述的一种片状激光放大器，其特征在于，所述片箱包括气体导流盒(22)、顶部反射器(23)、底部反射器(24)与框架支撑件(25)；增益介质(21)为掺钕磷酸盐钕玻璃片；沿宽度方向即垂直于激光照射方向上4片叠加排列，相邻两片中心间距为430±2mm；气体导流盒(22)位于框架支撑件(25)的上方用于从顶部流入氮气的引导；框架支撑件(25)上方包含顶部反射器(23)，底部包含底部反射器(24)，顶部反射器(23)和底部反射器(24)先镀有Ag层，然后镀有SiO2膜层。

8.如权利要求2所述的一种片状激光放大器，其特征在于，所述第一侧灯箱与第二侧灯箱各自包括侧灯箱背板(41)、侧灯箱框架(42)、隔板玻璃密封条(43)、第一隔板玻璃压框(44)、第一隔板玻璃支撑板(45)与反射器；侧灯箱框架(42)上组装有氙灯(9)，氙灯灯线连接件(10)与隔板玻璃(11)；隔板玻璃(11)的内表面和外表面均镀有增透的宽带化学膜，宽带是指从400nm-1000nm范围的光谱带，使得氙灯光平均透过率大于94％；通过隔板玻璃密封条(43)、第一隔板玻璃压框(44)与第一隔板玻璃支撑板(45)的组合，隔板玻璃安装固定于侧灯箱框架(42)上；第一隔板玻璃压框(44)、隔板玻璃密封条(43)、隔板玻璃(11)、第一隔板玻璃支撑板(45)、侧灯箱框架(42)和侧灯箱背板(41)依次贴合，反射器与侧灯箱背板(41)连接为整体，安装固定于侧灯箱框架(42)上，具有气密性；两支氙灯串联为一个放电回路，灯线的连接由氙灯灯线连接件(10)完成，并安装固定于侧灯箱框架(42)上；顶部与底部设置有气体流入流出口。

9.如权利要求2所述的一种片状激光放大器，其特征在于，所述第一中灯箱包括第二隔板玻璃支撑板(31)，第二隔板玻璃压框(32)与中灯箱框架(33)，组装有氙灯(9)，氙灯灯线连接件(10)与隔板玻璃(11)，隔板玻璃(11)的内表面和外表面均镀有增透的宽带化学膜，宽带是指从400nm-1000nm范围的光谱带，使得氙灯光平均透过率大于94％；通过第二隔板玻璃压框(32)与第二隔板玻璃支撑板(31)的组合作用，隔板玻璃(11)安装固定于中灯箱框架(33)上，使得整个模块具有气密性；第二隔板玻璃压框(32)、隔板玻璃(11)、第二隔板玻璃支撑板(31)、中灯箱框架(33)、隔板玻璃(11)、第二隔板玻璃压框(32)依次分布；中灯箱框架(33)上布置有氙灯，两支氙灯串联为一个放电回路，灯线的连接由氙灯灯线连接件(10)完成，氙灯灯线连接件(10)固定于中灯箱框架(33)上；顶部与底部设置有气体流入流出口。

10.如权利要求2至4以及6至8中任意一项所述的一种片状激光放大器，其特征在于，3-11个上述放大器组合在一起，在整体的入射端与出射端设置有端镜，端镜的表面法线与入射激光成夹角。