復(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)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(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器，包括M個(gè)交錯(cuò)相對(duì)平行排布的結(jié)構(gòu)相同的雙放大模塊，每個(gè)雙放大模塊由形框、N塊復(fù)合式片狀增益介質(zhì)、氦氣、激光二極管陣列，N塊復(fù)合式片狀增益介質(zhì)具有不同的摻雜濃度和長(zhǎng)度，由短到長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的間隔處均設(shè)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(jié)構(gòu)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(diǎn)。
【專利說明】復(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器及放大注入脈沖的方法

【技術(shù)領(lǐng)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(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放 大器及放大注入脈沖的方法。

【背景技術(shù)】
[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(shù)來提高系統(tǒng)的整體效率。 相比于單通放大結(jié)構(gòu)，多程放大有利于提高儲(chǔ)能提取效率，從而提高系統(tǒng)的整體工作效率； 片狀結(jié)構(gòu)的增益介質(zhì)具有高的TEM^填充率、低的熱效應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)有利于降低介質(zhì)的熱透 鏡效應(yīng)和熱致應(yīng)力雙折射效應(yīng)，從而提高輸出光束質(zhì)量。利用多程放大和薄片技術(shù)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(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不緊湊等，而 且這種運(yùn)轉(zhuǎn)模式對(duì)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(jié)構(gòu)，基于 激活反射鏡構(gòu)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(hào)增益系數(shù)，而且 由于其內(nèi)在的雙程特性，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(chǔ)能提取效率。但是激活反射鏡結(jié)構(gòu)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(jìn)一步 應(yīng)用。選用合適的泵源不僅能夠提高系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)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(yīng)。采用激光二極管陣列作為泵浦源，能量轉(zhuǎn)換效率高，光 束質(zhì)量好，器件結(jié)構(gòu)更緊湊。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了改善光束質(zhì)量、降低熱效應(yīng)、提高系統(tǒng)效率，本發(fā) 明提供一種氣冷高平均功率復(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器及放大注入脈沖的方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0005] -種氣冷高平均功率復(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器，其特點(diǎn)在于：包括Μ個(gè) 交錯(cuò)相對(duì)平行排布的結(jié)構(gòu)相同的雙放大模塊，所述的Μ為1以上的正整數(shù)，每個(gè)雙放大模塊 由〔形框、Ν塊復(fù)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(gè)直邊與外張的上斜框和下斜框構(gòu)成，所述的Ν塊復(fù)合式片狀增益介質(zhì)具 有不同的摻雜濃度和長(zhǎng)度，由短到長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的間隔處均設(shè)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(duì)的表面鍍高反射膜。
[0007] 所述的激光二極管陣列按照側(cè)面泵浦的結(jié)構(gòu)排布對(duì)復(fù)合式片狀增益介質(zhì)2進(jìn)行 泵浦。
[0008] 所述的雙放大模塊的長(zhǎng)度最長(zhǎng)的片狀增益介質(zhì)的下斜框、上斜框與其相錯(cuò)相對(duì)排 列的另一個(gè)放大模塊的長(zhǎng)度最長(zhǎng)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(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器的放大注入脈沖的方 法，其特點(diǎn)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(gè)放大模塊的N 塊復(fù)合式片狀增益介質(zhì)，一次通過放大后，在長(zhǎng)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(zhǎng)度最長(zhǎng)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(gè)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(gè)放大模塊從而實(shí)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(shù)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(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器系統(tǒng)實(shí)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(jié)構(gòu)相 t匕，在保證同樣兩次提取能量的情況下，將兩程光路簡(jiǎn)化為單程，充分提取了儲(chǔ)能，提高了 能量提取效率；結(jié)構(gòu)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(yīng)用于各種其他激光放大結(jié)構(gòu)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(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器的俯視結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明實(shí)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(shí)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(gè)放大模塊為例。）陣列上下交錯(cuò)平行排布的雙模塊復(fù)合式激活反射鏡系統(tǒng)的 俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明實(shí)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(gè)放大模塊為例。）陣列上下交錯(cuò)平行排布的雙模塊復(fù)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(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖中，1.流體循環(huán)通道2.復(fù)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(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
[0020] 在實(shí)施例中，需要被放大的種子光以Ρ偏振態(tài)（電矢量振動(dòng)方向平行于入射面）、 布儒斯特角注入本發(fā)明實(shí)施例所涉及的按特定順序排列的復(fù)合式結(jié)構(gòu)的Ν(Ν = 2, 3, 4···.。 N取大于1的正整數(shù)。）塊長(zhǎng)度不同的片狀增益介質(zhì)進(jìn)行放大。所述方法和系統(tǒng)可被應(yīng)用 于各種其他激光放大結(jié)構(gòu)和激光系統(tǒng)中。
[0021] 圖1是本發(fā)明氣冷高平均功率復(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)（單個(gè)放大模塊）激光放大 器系統(tǒng)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中單個(gè)放大模塊中所包含的復(fù)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(fù)合式激活反射 鏡結(jié)構(gòu)激光放大器，包括Μ個(gè)交錯(cuò)相對(duì)平行排布的結(jié)構(gòu)相同的雙放大模塊，所述的Μ為1以 上的正整數(shù)，每個(gè)雙放大模塊由〔形框1、Ν塊復(fù)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(gè)直邊與外張的上斜框和下斜框構(gòu) 成，所述的Ν塊復(fù)合式片狀增益介質(zhì)2具有不同的摻雜濃度和長(zhǎng)度，由短到長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的間隔處 均設(shè)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(gè)放大模塊的N(N = 2, 3, 4···.。N取大于1的正整數(shù)。）塊復(fù) 合式結(jié)構(gòu)的各塊片狀增益介質(zhì)尺寸大小、相互之間的位置關(guān)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(zhǎng)度不同且摻雜濃度不同的片狀增益介 質(zhì)，按照長(zhǎng)度L從長(zhǎng)到短的順序依照本發(fā)明實(shí)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(zhǎng)度最短的增益介質(zhì)下表面鍍高反射膜（本發(fā)明實(shí)施例中稱其為復(fù)合式結(jié) 構(gòu)）。各塊增益介質(zhì)長(zhǎng)度L和摻雜濃度t之間的關(guān)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)度最長(zhǎng)的片狀增益介 質(zhì)出射，實(shí)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(shí)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(gè)放大模塊為例。）陣列上下交錯(cuò)平行排布的雙放大模塊構(gòu)成 的復(fù)合式激活反射鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各模塊之間位置關(guān)系俯視示意圖。在本圖說明的實(shí)施例 中，各放大模塊中長(zhǎng)度最長(zhǎng)的片狀增益介質(zhì)的下斜框、上斜框與其相錯(cuò)相對(duì)排列的另一個(gè) 放大模塊中長(zhǎng)度最長(zhǎng)的片狀增益介質(zhì)的上斜框、下斜框側(cè)邊緣位置的縱坐標(biāo)（沿圖中堅(jiān)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(shí)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(gè)放大模塊為例。）陣列上下交錯(cuò)平行排布的雙放大模塊構(gòu)成 的復(fù)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(shí)施例所述方式排列的第一個(gè)放大模塊的Ν塊片 狀增益介質(zhì)，一次通過放大后，在長(zhǎng)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(zhǎng)度最長(zhǎng)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(gè)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(gè)放大模塊，從而實(shí)現(xiàn)了四通放大。
[0027] 圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單塊片狀增益介質(zhì)的三維透視結(jié)構(gòu)示意圖。片狀增益 介質(zhì)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，滲雜濃度為t。
【權(quán)利要求】
1. 一種氣冷高平均功率復(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器，其特征在于：包括Μ個(gè)交 錯(cuò)相對(duì)平行排布的結(jié)構(gòu)相同的雙放大模塊，所述的Μ為1以上的正整數(shù)，每個(gè)雙放大模塊由 〔形框（1)、Ν塊復(fù)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(gè)直邊與外張的上斜框和下斜框構(gòu)成，所述的N塊復(fù)合 式片狀增益介質(zhì)（2)具有不同的摻雜濃度和長(zhǎng)度，由短到長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的間隔處均設(shè)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(quán)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(duì)的表面鍍高反射膜。
3. 根據(jù)權(quán)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(cè) 面泵浦的結(jié)構(gòu)排布對(duì)復(fù)合式片狀增益介質(zhì)（2)進(jìn)行泵浦。
4. 根據(jù)權(quán)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(zhǎng)度最長(zhǎng)的片 狀增益介質(zhì)的下斜框、上斜框與其相錯(cuò)相對(duì)排列的另一個(gè)放大模塊的長(zhǎng)度最長(zhǎng)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(quán)利要求1所述的氣冷高平均功率復(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)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(gè)放大 模塊的Ν塊復(fù)合式片狀增益介質(zhì)，一次通過放大后，在長(zhǎng)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(zhǎng)度最長(zhǎng)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(gè)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(gè)放大模塊從而實(shí)現(xiàn)了四通放大。
6. 根據(jù)權(quán)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(hào)】H01S3/042GK104051940SQ201410244292
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】徐劍秋, 楊楠 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)