復合式激活反射鏡結構激光放大器及放大注入脈沖的方法
【專利摘要】一種氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放大器，包括M個交錯相對平行排布的結構相同的雙放大模塊，每個雙放大模塊由形框、N塊復合式片狀增益介質(zhì)、氦氣、激光二極管陣列，N塊復合式片狀增益介質(zhì)具有不同的摻雜濃度和長度，由短到長自形框的直邊向外同軸依次排布在形框內(nèi)，各塊增益介質(zhì)長度L和摻雜濃度t的乘積相等，形框的上斜框和下斜框均有流體循環(huán)通道，該流體循環(huán)通道與所述的N塊增益介質(zhì)相對應的間隔處均設有冷卻循環(huán)孔，供所述的氦氣在所述的增益介質(zhì)之間流通。本發(fā)明結構更加緊湊，有利于集成化與模塊化；有效的避免了增益介質(zhì)表面鍍膜膜層在水冷卻方式下的水侵蝕等問題，具有輸出光束質(zhì)量好，系統(tǒng)效率高等優(yōu)點。
【專利說明】復合式激活反射鏡結構激光放大器及放大注入脈沖的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光系統(tǒng)，特別是一種氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放 大器及放大注入脈沖的方法。
【背景技術】
[0002] 高功率固體激光放大系統(tǒng)通常采用多程放大和薄片技術來提高系統(tǒng)的整體效率。 相比于單通放大結構，多程放大有利于提高儲能提取效率，從而提高系統(tǒng)的整體工作效率； 片狀結構的增益介質(zhì)具有高的TEM^填充率、低的熱效應，這種結構有利于降低介質(zhì)的熱透 鏡效應和熱致應力雙折射效應，從而提高輸出光束質(zhì)量。利用多程放大和薄片技術的高功 率固體激光放大系統(tǒng)的工作原理大多是基于多片薄片增益介質(zhì)串聯(lián)的布儒斯特角透射式 結構，這種結構的放大系統(tǒng)具有一定的局限性，例如能量提取效率不高，結構不緊湊等，而 且這種運轉模式對晶體的冷卻具有很高的要求；相比于多片薄片串聯(lián)的透射式結構，基于 激活反射鏡構型的激光放大器不僅可以有效地提高泵浦效率，提高小信號增益系數(shù)，而且 由于其內(nèi)在的雙程特性，可實現(xiàn)簡單緊湊的多程放大，即節(jié)省空間又降低建造成本，還可以 提高系統(tǒng)的儲能提取效率。但是激活反射鏡結構由于需要在增益介質(zhì)表面鍍膜，存在膜層 在水冷卻方式下的水侵蝕等問題，這些都將限制其在高功率固體激光放大系統(tǒng)中的進一步 應用。選用合適的泵源不僅能夠提高系統(tǒng)能量轉化效率，獲得高的輸出光束質(zhì)量，還能夠有 效的減少泵浦過程中的各種熱效應。采用激光二極管陣列作為泵浦源，能量轉換效率高，光 束質(zhì)量好，器件結構更緊湊。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 針對上述現(xiàn)有技術的不足，為了改善光束質(zhì)量、降低熱效應、提高系統(tǒng)效率，本發(fā) 明提供一種氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放大器及放大注入脈沖的方法。
[0004] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0005] -種氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放大器，其特點在于：包括Μ個 交錯相對平行排布的結構相同的雙放大模塊，所述的Μ為1以上的正整數(shù)，每個雙放大模塊 由〔形框、Ν塊復合式片狀增益介質(zhì)、氦氣、激光二極管陣列，所述的Ν為大于1的正整數(shù)，所 述的〔形框由一個直邊與外張的上斜框和下斜框構成，所述的Ν塊復合式片狀增益介質(zhì)具 有不同的摻雜濃度和長度，由短到長自所述的〔形框的直邊向外同軸依次排布在所述的C 形框內(nèi)，并依次稱為第1增益介質(zhì)、第2增益介質(zhì)、…、第Ν增益介質(zhì)，各塊增益介質(zhì)長度L 和摻雜濃度t的乘積相等，所述的〔形框的上斜框和下斜框均有流體循環(huán)通道，該流體循環(huán) 通道與所述的N塊增益介質(zhì)相對應的間隔處均設有冷卻循環(huán)孔，供所述的氦氣在所述的增 益介質(zhì)之間流通。
[0006] 所述的第1增益介質(zhì)與所述的〔形框的直邊相對的表面鍍高反射膜。
[0007] 所述的激光二極管陣列按照側面泵浦的結構排布對復合式片狀增益介質(zhì)2進行 泵浦。
[0008] 所述的雙放大模塊的長度最長的片狀增益介質(zhì)的下斜框、上斜框與其相錯相對排 列的另一個放大模塊的長度最長的片狀增益介質(zhì)的上斜框、下斜框位置的相互平行，各放 大模塊之間的橫向間距由注入光束的口徑?jīng)Q定。
[0009] 所述的氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放大器的放大注入脈沖的方 法，其特點在于：P偏振態(tài)輸入脈沖以布儒斯特角α入射并順次通過第一個放大模塊的N 塊復合式片狀增益介質(zhì)，一次通過放大后，在長度最短的下表面鍍膜的增益介質(zhì)的底部全 內(nèi)反射，再次通過按所述方式排列的Ν片狀增益介質(zhì)并被二次放大，最后以布儒斯特角從 長度最長的片狀增益介質(zhì)出射，然后以布儒斯特角α、沿與在第一個放大模塊中各塊增益 介質(zhì)中相同的光束路徑通過第二個放大模塊從而實現(xiàn)了四通放大。
[0010] 所述的布儒斯特角α由片狀增益介質(zhì)材料的線性折射率η決定：a = tarT1]!。
[0011] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下：
[0012] 本發(fā)明所提出的氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放大器系統(tǒng)實現(xiàn)了 注入脈沖在增益介質(zhì)中的雙通放大，與傳統(tǒng)的多片晶體串聯(lián)的布儒斯特角透射式結構相 t匕，在保證同樣兩次提取能量的情況下，將兩程光路簡化為單程，充分提取了儲能，提高了 能量提取效率；結構更加緊湊，有利于集成化與模塊化。本發(fā)明所提出氣冷的散熱方式，避 免了增益介質(zhì)表面鍍膜膜層在水冷卻方式下的水侵蝕等問題。本發(fā)明所述方法和系統(tǒng)可被 應用于各種其他激光放大結構和激光系統(tǒng)中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放大器的俯視結構示 意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明實施例的通過N(N = 2, 3, 4….。N取大于1的正整數(shù)。）塊片狀增 益介質(zhì)的光線路徑的示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明實施例的通過以M(M= 1，2, 3, 4，···。Μ為1以上的正整數(shù)。此處取 Μ = 2,以兩個放大模塊為例。）陣列上下交錯平行排布的雙模塊復合式激活反射鏡系統(tǒng)的 俯視結構示意圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明實施例的通過以Μ(Μ= 1，2, 3, 4，···。Μ為1以上的正整數(shù)。此處取 Μ = 2,以兩個放大模塊為例。）陣列上下交錯平行排布的雙模塊復合式激活反射鏡系統(tǒng)中 各塊片狀增益介質(zhì)的光線路徑的示意圖；
[0017] 圖5是本發(fā)明的單塊增益介質(zhì)的三維透視結構示意圖；
[0018] 圖中，1.流體循環(huán)通道2.復合式片狀增益介質(zhì)3.鍍膜層4.冷卻循環(huán)孔5.氦氣 6.激光二極管陣列
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范 圍。
[0020] 在實施例中，需要被放大的種子光以Ρ偏振態(tài)（電矢量振動方向平行于入射面）、 布儒斯特角注入本發(fā)明實施例所涉及的按特定順序排列的復合式結構的Ν(Ν = 2, 3, 4···.。 N取大于1的正整數(shù)。）塊長度不同的片狀增益介質(zhì)進行放大。所述方法和系統(tǒng)可被應用 于各種其他激光放大結構和激光系統(tǒng)中。
[0021] 圖1是本發(fā)明氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構（單個放大模塊）激光放大 器系統(tǒng)的俯視結構示意圖。圖中單個放大模塊中所包含的復合式的片狀增益介質(zhì)的片數(shù)通 常為N(N = 2, 3, 4···.。N取大于1的正整數(shù)。）塊，為了便于描述，圖1和在此描述的所有 其他圖中的片狀增益介質(zhì)均以3片為例。如圖所示，一種氣冷高平均功率復合式激活反射 鏡結構激光放大器，包括Μ個交錯相對平行排布的結構相同的雙放大模塊，所述的Μ為1以 上的正整數(shù)，每個雙放大模塊由〔形框1、Ν塊復合式片狀增益介質(zhì)2、氦氣5、激光二極管陣 列6,所述的Ν為大于1的正整數(shù)，所述的〔形框1由一個直邊與外張的上斜框和下斜框構 成，所述的Ν塊復合式片狀增益介質(zhì)2具有不同的摻雜濃度和長度，由短到長自所述的〔形 框1的直邊向外同軸依次排布在所述的〔形框1內(nèi)，并依次稱為第1增益介質(zhì)、第2增益介 質(zhì)、…、第Ν增益介質(zhì)，各塊增益介質(zhì)長度L和摻雜濃度t的乘積相等，所述的〔形框1的上 斜框和下斜框均有流體循環(huán)通道，該流體循環(huán)通道與所述的N塊增益介質(zhì)相對應的間隔處 均設有冷卻循環(huán)孔4,供所述的氦氣5在所述的增益介質(zhì)之間流通。
[0022] 圖2是本發(fā)明單個放大模塊的N(N = 2, 3, 4···.。N取大于1的正整數(shù)。）塊復 合式結構的各塊片狀增益介質(zhì)尺寸大小、相互之間的位置關系以及光線通過的路徑的示意 圖。N(N= 2, 3, 4···.。N取大于1的正整數(shù)。）塊長度不同且摻雜濃度不同的片狀增益介 質(zhì)，按照長度L從長到短的順序依照本發(fā)明實施例圖2中所示順序等間距疊放排列，并且在 N塊增益介質(zhì)中長度最短的增益介質(zhì)下表面鍍高反射膜（本發(fā)明實施例中稱其為復合式結 構）。各塊增益介質(zhì)長度L和摻雜濃度t之間的關系滿足：
[0023] = t2L2 = t3L3
[0024] 各塊增益介質(zhì)的厚度相等。P偏振態(tài)輸入脈沖以布儒斯特角入射角α順次通過 按本發(fā)明實施例所述方式排列的Ν(Ν = 2, 3, 4···.。Ν取大于1的正整數(shù)。）塊片狀增益介 質(zhì)，一次通過放大后，在長度最短的下表面鍍膜的增益介質(zhì)的底部全內(nèi)反射，再次通過按所 述方式排列的Ν片狀增益介質(zhì)并被二次放大，最后以布儒斯特角從長度最長的片狀增益介 質(zhì)出射，實現(xiàn)了雙通放大。其中，注入光的布儒斯特角入射角α由片狀增益介質(zhì)材料的線 性折射率η決定：a = tan jn ;
[0025] 圖3是本發(fā)明實施例的通過以M(M= 1，2, 3, 4，···。Μ為1以上的正整數(shù)。為了便 于描述，本文取Μ = 2,以兩個放大模塊為例。）陣列上下交錯平行排布的雙放大模塊構成 的復合式激活反射鏡系統(tǒng)結構以及各模塊之間位置關系俯視示意圖。在本圖說明的實施例 中，各放大模塊中長度最長的片狀增益介質(zhì)的下斜框、上斜框與其相錯相對排列的另一個 放大模塊中長度最長的片狀增益介質(zhì)的上斜框、下斜框側邊緣位置的縱坐標（沿圖中堅直 方向）相同。各放大模塊之間的橫向間距（沿圖中水平方向）由注入光束的口徑所決定。
[0026] 圖4是本發(fā)明實施例的通過以Μ(Μ= 1，2, 3, 4，···。Μ為1以上的正整數(shù)。為了便 于描述，本文取Μ = 2,以兩個放大模塊為例。）陣列上下交錯平行排布的雙放大模塊構成 的復合式激活反射鏡系統(tǒng)的各塊片狀增益介質(zhì)的光線路徑的示意圖。Ρ偏振態(tài)輸入脈沖以 布儒斯特角α入射并順次通過按本發(fā)明實施例所述方式排列的第一個放大模塊的Ν塊片 狀增益介質(zhì)，一次通過放大后，在長度最短的下表面鍍膜的增益介質(zhì)的底部全內(nèi)反射，再次 通過按所述方式排列的N片狀增益介質(zhì)并被二次放大，最后以布儒斯特角從長度最長的片 狀增益介質(zhì)出射，然后以布儒斯特角α入射，并且以與在第一個放大模塊中各塊增益介質(zhì) 中相同的傳播方式通過第二個放大模塊，從而實現(xiàn)了四通放大。
[0027] 圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的單塊片狀增益介質(zhì)的三維透視結構示意圖。片狀增益 介質(zhì)的長度為L，滲雜濃度為t。
【權利要求】
1. 一種氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放大器，其特征在于：包括Μ個交 錯相對平行排布的結構相同的雙放大模塊，所述的Μ為1以上的正整數(shù)，每個雙放大模塊由 〔形框（1)、Ν塊復合式片狀增益介質(zhì)（2)、氦氣（5)、激光二極管陣列￠)，所述的Ν為大于 1的正整數(shù)，所述的〔形框（1)由一個直邊與外張的上斜框和下斜框構成，所述的N塊復合 式片狀增益介質(zhì)（2)具有不同的摻雜濃度和長度，由短到長自所述的〔形框（1)的直邊向 外同軸依次排布在所述的〔形框（1)內(nèi)，并依次稱為第1增益介質(zhì)、第2增益介質(zhì)、…、第N 增益介質(zhì)，各塊增益介質(zhì)長度L和摻雜濃度t的乘積相等，所述的〔形框（1)的上斜框和下 斜框均有流體循環(huán)通道，該流體循環(huán)通道與所述的N塊增益介質(zhì)相對應的間隔處均設有冷 卻循環(huán)孔（4)，供所述的氦氣（5)在所述的增益介質(zhì)之間流通。
2. 根據(jù)權利要求1所述的激光放大器，其特征在于所述的第1增益介質(zhì)與所述的〔形 框（1)的直邊相對的表面鍍高反射膜。
3. 根據(jù)權利要求1所述的激光放大器，其特征在于所述的激光二極管陣列（6)按照側 面泵浦的結構排布對復合式片狀增益介質(zhì)（2)進行泵浦。
4. 根據(jù)權利要求1所述的激光放大器，其特征在于所述的雙放大模塊的長度最長的片 狀增益介質(zhì)的下斜框、上斜框與其相錯相對排列的另一個放大模塊的長度最長的片狀增益 介質(zhì)的上斜框、下斜框位置的相互平行，各放大模塊之間的橫向間距由注入光束的口徑?jīng)Q 定。
5. 權利要求1所述的氣冷高平均功率復合式激活反射鏡結構激光放大器的放大注入 脈沖的方法，其特征在于：P偏振態(tài)輸入脈沖以布儒斯特角α入射并順次通過第一個放大 模塊的Ν塊復合式片狀增益介質(zhì)，一次通過放大后，在長度最短的下表面鍍膜的增益介質(zhì) 的底部全內(nèi)反射，再次通過按所述方式排列的Ν片狀增益介質(zhì)并被二次放大，最后以布儒 斯特角從長度最長的片狀增益介質(zhì)出射，然后以布儒斯特角α、沿與在第一個放大模塊中 各塊增益介質(zhì)中相同的光束路徑通過第二個放大模塊從而實現(xiàn)了四通放大。
6. 根據(jù)權利要求5所述的放大注入脈沖的方法，其特征在于所述的布儒斯特角α由片 狀增益介質(zhì)材料的線性折射率η決定：a = tarT1]!。
【文檔編號】H01S3/042GK104051940SQ201410244292
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權日:2014年6月4日
【發(fā)明者】徐劍秋, 楊楠 申請人:上海交通大學