CN209730432U - 一种片状激光放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种新型片状激光放大器，由框架单元、片箱、灯箱、端镜和其他辅助件构成。框架单元是整个放大器的基础构建，用于支撑和安装其他各单元；灯箱由氙灯组、反射器和隔板玻璃构成，提供空间均匀辐照的面状泵浦源，片箱包括片状增益介质和支撑部件，用于提供高增益；端镜的主要作用是安装在放大器框架单元两端实现洁净密封，保证片箱内的洁净环境；其他辅助件主要包括冷却件和电气供应部件。本实用新型改善了片状放大器增益均匀性较差、效率较低、集成度较差的问题，具有增益系数高、效率高和集成度高等优势。

Description

一种片状激光放大器

技术领域

本实用新型属于高功率固体激光器领域，特别是涉及一种新型片状激光放大器。

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、中国的上海光机所和中物院八所等。

在超高功率激光驱动器中，非常重要的一个模块是片状激光放大器，提供了整个装置99％的能量，是整个驱动器的核心部分。

衡量片状放大器的重要参数有通光口径、小信号增益系数、增益均匀性、储能效率等。目前，国内外片状激光放大器的共同弱点是小信号增益系数低。针对该问题，现有技术一般是增加氙灯数量，加大泵浦强度，但该措施会增大放大器体积、降低效率甚至器件的可靠性，从而影响了系统的实用性和稳定性，现有技术还无法很好的解决这一问题。

实用新型内容

本实用新型从参数优化和结构设计出发，提供了一种小信号增益系数大、效率较高、紧凑型好的片状激光放大器。

具体技术方案是，所述片状激光放大器，包括框架单元、灯箱I、灯箱II、片箱、端镜I和端镜II；片箱固定在框架单元的中心，灯箱I和灯箱II分别固定在框架单元的左侧和右侧，端镜I和端镜II分别固定在框架单元的前端和后端；灯箱I和灯箱II与片箱错位重叠设置。

所述灯箱I和灯箱II中的氙灯组均由14支氙灯组成，每7支氙灯串联为一个回路，每支氙灯等间距排布且相对于片箱对称分布。

所述氙灯放电回路的工作电压为23.5kV，电容为234μF/回路，电感为69μH/回路，电阻≤120mΩ/回路。

灯箱I和灯箱II中，除了隔板玻璃面，剩余内侧面均设有反射器，灯箱I和灯箱II内的氙灯背面反射器为短翼渐开线反射器，氙灯两端反射器为平板反射器，片箱顶端和底部反射器为v型排布的平板反射器，开口朝向片箱中部。

灯箱的隔板玻璃镀有双面增透的宽带化学膜。

片箱包括片状增益介质、支撑部件和冷却气流通道，片状增益介质表面法线方向与入射激光方向的夹角为布儒斯特角θ，片状增益介质的水平尺寸应大于激光口径与折射因素产生的激光水平方向偏移量之和。

端镜I和端镜II包括窗口玻璃和机械结构，端镜I和端镜II的窗口玻璃表面镀有对入射激光增透的介质膜，介质膜表面法线方向与入射激光方向夹角为1°±0.2°，前后端镜呈“八”字分布。

有益效果：

本实用新型显著提高了放大器的增益系数和效率，降低了元器件的工作参数，提高了可靠性；氙灯等间距排布，基于优化的工作参数，在保证氙灯泵浦可靠稳定运行下增加了泵浦能量，提高了效率以及氙灯辐射光在增益介质表面分布的均匀性，进而提高了片状放大器的增益均匀性；灯箱片箱错位重叠，在保证模块性能的情形下减小了模块的体积，放大器长度减小至780mm；短翼仿渐开线镀银反射器的使用显著提高了泵浦腔的传输效率；通过将灯箱顶部的反射器设置为V型聚光三角反射器，从而进一步显著提高泵浦腔的传输效率。

附图说明

图1是片状激光放大器的结构图。

图2是入射激光的传输示意图。

图3是端镜的安装位置示意图。

图4是典型的片状放大器工作光路示意图。

图5是放大器泵浦结构。

图6是放大器泵浦腔。

附图标记说明：1—框架安装单元，2—片箱，3—灯箱I，4—灯箱II，5—端镜I，6—端镜II，7—氙灯，8—反射器，9—隔板玻璃，10—增益介质，11—片箱支撑部件，12—待放大的激光，13—放大后的激光，14—扩束单元，15-渐开线反射器，16-V型三角反射器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型公开的一种新型片状激光放大器作原理设计和具体实施说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

本实施以通光口径为400mm×400mm的片状钕玻璃激光放大器为例，对本实用新型提出的片状激光放大器的具体实施进行说明。

图1为本实用新型的一个实施例中片状激光放大器的结构示意图，该激光放大器由框架单元1、片箱2、灯箱I3、灯箱II4、端镜I5和端镜II6构成。框架单元是放大器的外框架，整个框架单元是一个相对封闭的环境，框架单元上面是冷却氮气流入口，下面是冷却氮气流出口和电气接口；灯箱I3和灯箱II4由14支氙灯7、反射器8和隔板玻璃9构成密封环境，上下留有氮气通道；片箱包括钕玻璃片10和支撑部件11。

实施例中钕玻璃片10的尺寸的选择要考虑激光口径和钕玻璃片折射率对激光的水平偏移量。图2是待放大激光入射到钕玻璃片的传输示意图，在入射激光以布儒斯特角θ＝arctan(n)入射到钕玻璃片情况下，由于钕玻璃片的折射率会导致入射激光在水平方向上产生偏移，偏移量Δ的大小为：

其中d是钕玻璃片的厚度，n是钕玻璃片的折射率。

那么根据图2，考虑到安装钕玻璃片是包边的尺寸，可以得到钕玻璃片的长度l应满足下面关系式：

其中，a是激光口径的水平尺寸。本实施例中钕玻璃的尺寸(长度×宽度×厚度)选为810mm×460mm×40mm(含包边)。钕玻璃片以布儒斯特角放置于主光路中，其安装环境洁净度优于100级，以避免表面附着杂质颗粒造成激光损伤。

实施例中氙灯的排列方式如图2所示，每个灯箱由14支灯组成，每7支氙灯串联为一个回路，两个灯箱的氙灯对称排布。氙灯的尺寸参数：外径为Φ37mm，内径为31mm，总长为740mm，弧长为440mm，氙灯充气气压为160～165torr，氙灯放电回路的电压为23.5kV，电容为234μF/回路，电感为69μH/回路，电阻为120mΩ/回路。14支氙灯在长度方向(598mm)上等间距排布。

实施例中灯箱中所有反射器表面镀银，镀层厚度不低于40μm，镀层要求牢固，以避免在强氙灯光辐照以及在灯箱维护等过程中脱落，镀银后表面抛光至镜面，对镀银反射器涂镀SiO2保护膜，防止镀银层硫化导致反射率降低。灯箱反射器要求与箱体绝缘，由电缆引出并接地。灯箱内除了隔板玻璃面，其余面内侧均设计有反射器，以保证氙灯在长度方向上泵浦的均匀性，即利用此反射器将氙灯泵浦源镜象映射为无限长光源。

实施例中，端镜I和端镜II的窗口玻璃表面镀有对入射激光增透的介质膜，端镜的几何尺寸(长度×宽度×厚度)选为：440mm×440mm×34mm。端镜I和端镜II的安装位置关系如图3所示，为抑制端镜剩余反射引起的自激振荡，同时不明显影响入射激光的透过率，端镜I和端镜II的表面法线方向与主光路方向角度为1°，呈“八”字分布。

本实施例中片状激光放大器的各部件位置关系是：片箱2固定在框架单元的中心，灯箱I3和灯箱II4分别固定在框架单元的左侧和右侧，端镜I5和端镜II6分别固定在框架单元的前端和后端。

本实施例中片状激光放大器的反射器设置见图4、图5、图6.图5中显示的渐开线反射器15位于氙灯后，每支氙灯后面均有相应渐开线反射器。渐开线顶点距离氙灯3mm。V型三角反射器16则位于泵浦腔的上下表面，角度设置如图6所示。

本实施例中新型片状激光放大器的简单工作光路如图4所示，待放大的激光12首先经过扩束单元14扩束为400mm×400mm口径的激光，扩束后的激光从端镜I5进入到新型片状激光放大器，放大后的激光从端镜II6输出。

片状激光放大器的工作过程为：首先给激光放大器的供电模块充电，待充电电量达到要求后，供电模块给氙灯回路放电，氙灯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，在介质内的激光上下能级之间形成粒子数反转，使钕玻璃片获得足够的储能；激光脉冲通过钕玻璃片时，钕离子由高能级向低能级受激辐射跃迁，实现激光的放大过程。

激光放大器运行完毕后，对钕玻璃片采用洁净度优于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，同时用空气吹扫灯箱，促进热恢复。

Claims (4)

1.一种片状激光放大器，其特征在于：包括框架单元(1)、灯箱I(3)、灯箱II(4)、片箱(2)、端镜I(5)和端镜II(6)；片箱(2)固定在框架单元(1)的中心，灯箱I(3)和灯箱II(4)分别固定在框架单元(1)的左侧和右侧，端镜I(5)和端镜II(6)分别固定在框架单元(1)的前端和后端；灯箱I(3)和灯箱II(4)与片箱(2)错位重叠设置；所述灯箱I和灯箱II中的氙灯组均由14支氙灯组成，每7支氙灯串联为一个回路，每支氙灯等间距排布且相对于片箱对称分布；氙灯放电回路的工作电压为23.5kV，电容为234μF/回路，电感为69μH/回路，电阻≤120mΩ/回路；灯箱I和灯箱II中，在隔板玻璃面上不设置反射器，其余内侧面均设有反射器，灯箱I(3)和灯箱II(4)内的氙灯背面反射器为短翼渐开线反射器，氙灯两端反射器为平板反射器，片箱顶端和底部反射器为v型排布的平板反射器，开口朝向片箱中部。

2.根据权利要求1所述的片状激光放大器，其特征在于：灯箱的隔板玻璃镀有双面增透的宽带化学膜。

3.根据权利要求2所述的片状激光放大器，其特征在于：片箱包括片状增益介质、支撑部件和冷却气流通道，片状增益介质表面法线方向与入射激光方向的夹角为布儒斯特角θ，片状增益介质的水平尺寸应大于激光口径与折射因素产生的激光水平方向偏移量之和。

4.根据权利要求1至3中任一所述的片状激光放大器，其特征在于：端镜I和端镜II包括窗口玻璃和机械结构，端镜I和端镜II的窗口玻璃表面镀有对入射激光增透的介质膜，介质膜表面法线方向与入射激光方向夹角为1°±0.2°，前后端镜呈八字分布。