一种复合结构式激光放大器

摘要

本发明提供一种复合结构式激光放大器，包括楔形激光薄片耦合器3和作为增益介质的楔形激光薄片1；其中楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3均为细长薄片，且纵切面为等腰梯形；楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3在两者的厚端端面进行共轴拼接；同时楔形激光薄片耦合器3的薄端端面接收入射的泵浦激光束，楔形激光薄片耦合器3再将泵浦激光束耦合进入楔形激光薄片1中。本发明的复合结构式激光放大器，泵浦光从楔形激光薄片耦合器薄端端面入射，使得泵浦光的吸收更均匀，有利于提高泵浦光耦合效率；光在楔形激光薄片边界上是内全反射，增加了被吸收光的吸收长度，使楔形激光薄片得到均匀泵浦。

权利要求

1.一种复合结构式激光放大器，其特征在于，包括楔形激光薄片耦合器(3)、作为增益介质的楔形激光薄片(1)、激光片夹具(2)、耦合器夹具(4)、泵浦源散热片(6)以及安装板(7)；其中楔形激光薄片(1)和楔形激光薄片耦合器(3)均为细长薄片，且纵切面为等腰梯形；

所述楔形激光薄片(1)和楔形激光薄片耦合器(3)在两者的厚端端面进行共轴拼接；同时楔形激光薄片耦合器(3)的薄端端面接收入射的泵浦激光束，楔形激光薄片耦合器(3)再将泵浦激光束耦合进入楔形激光薄片(1)中；

所述楔形激光薄片(1)和楔形激光薄片耦合器(3)的楔角的值等于自身对泵浦激光束的吸收系数；

所述泵浦源散热片(6)固定于安装板(7)上；

所述激光片夹具(2)和耦合器夹具(4)固定于泵浦源散热片(6)上；

所述楔形激光薄片(1)安装在激光片夹具(2)内，楔形激光薄片耦合器(3)安装在耦合器夹具(4)内；

所述激光片夹具(2)与耦合器夹具(4)互相拼接，使内部的楔形激光薄片(1)和楔形激光薄片耦合器(3)纵向拼接形成复合结构式楔形激光薄片。

2.如权利要求1所述的一种复合结构式激光放大器，其特征在于，所述楔形激光薄片(1)为掺杂浓度为1％的Nd:YAG晶体，楔形激光薄片耦合器(3)为无掺杂的YAG晶体或纯石英晶体。

3.如权利要求1所述的一种复合结构式激光放大器，其特征在于，所述楔形激光薄片(1)和楔形激光薄片耦合器(3)的楔角为2.86°，尺寸为21mm×2mm×10mm或21mm×3mm×

10mm。

4.如权利要求1所述的一种复合结构式激光放大器，其特征在于，所述楔形激光薄片(1)比表面积大于2.56cm2/g。

5.如权利要求1所述的一种复合结构式激光放大器，其特征在于，所述激光片夹具(2)包括一个与楔形激光薄片(1)相匹配的豁口和一对安装耳；耦合器夹具(4)包括一个与楔形激光薄片耦合器(3)相匹配的豁口和一对安装座；其中安装耳和安装座相匹配，实现激光片夹具(2)和耦合器夹具(4)的纵向拼接。

6.如权利要求1所述的一种复合结构式激光放大器，其特征在于，所述泵浦源散热片(6)材质为黄铜。

7.如权利要求1所述的一种复合结构式激光放大器，其特征在于，外界输入的垂直于楔形激光薄片(1)侧面的种子激光波长为1064nm，泵浦激光束波长为808nm。

8.如权利要求1所述的一种复合结构式激光放大器，其特征在于，通过在楔形激光薄片(1)和楔形激光薄片耦合器(3)侧面进行横向拼接，并列多个基于复合结构式激光放大器，得到列阵式激光放大器系统。

说明书

一种复合结构式激光放大器

技术领域

[0001] 本发明属于激光放大器技术领域，尤其涉及一种复合结构式激光放大器。

背景技术

[0002] 目前，薄片激光放大器主要利用薄片散热快，孔径大，可以通过扩大孔径获得更强激光输出。但是薄片激光放大器的横向增益长度总是远大于它的厚度，横向的寄生振荡极大地限制了输出功率的输出。靠增大横向截面积提升输出功率的方法不能实现。结果是出光面积还是很小，一般直径10毫米左右。

[0003] 通常激光棒的直径输出单模，直径只有几毫米。用薄片激光陶瓷，希望将薄片直径做到10到20厘米。结果是，横向增益长度大于纵向增益长度，寄生自发辐射放大造成的损耗很大。为了抑制横向寄生振荡已经采取了很多办法。

[0004] 提升激光输出功率，核心是激光粒子数，即产生激光的辐射源要多。激光粒子数等于增益介质工作区腔模体积乘以掺杂浓度。在同样掺杂浓度下，自然是体积越大越好。对于激光棒，可以靠增长激光棒的长度和直径的增加提升激光粒子数，得到更多激光输出。但是，热效应和大孔径材料的来源都限制了激光棒的使用。采用薄片结构是扩大面积、增大散热表面提升输出功率的一个有效途径。

[0005] 薄片结构仍然存在散热问题，而简单的解决办法是进一步减薄。减薄和提升散热能力两项措施能实现横向热畸变减小到可以允许的程度。但是寄生振荡限制了激光孔径的增大，孔径的限制和厚度的减薄，激光材料工作区的总体积受限制，结果提升输出功率的办法还是靠提升掺杂浓度，掺杂浓度提升带来的问题是局域产生的热量增多，造成激光输出畸变。为了减小热畸变，实现均匀而且快速的散热，将薄片厚度减小到0.2毫米，并采用先进的散热技术，但结果还是受到热效应的困扰。而且薄片减薄之后，泵浦光不能充分吸收和有效利用激光离子，需要采用结构复杂的多通聚光系统，从而增加了系统的复杂性。

[0006] 为了减小横向寄生振荡放大，采用激光薄片横向拼接技术，使连接处吸收横向振荡的激光，从而抑制横向寄生振荡放大。这套技术以德国为主，其他国家跟进发展这套技术的比较少。德国发展的薄片激光器近十几年都在固体激光器发展中起主导地位。发展Yb：YAG，掺杂浓度提升11at％，薄片做到0.2毫米厚，有利于散热。采用了这样的装配结构，用了微通道循环液体冷却，热沉上有小孔抽真空，靠大气负压吸紧薄片材料，避免热翘曲。提升泵浦光的吸收采用了往返多次通过的方式，泵浦机构也复杂而昂贵。这一套技术已经发展到了极点，因此难于继续提升激光输出功率了。

[0007] 类似的这样拼接，或者划线添加吸收材料抑制寄生振荡放大的设计都是均匀厚度薄片。这种结构同时限制了横向波导泵浦技术的应用。国内一些利用横向波导泵浦的方法是从周边非掺杂的YAG波导耦合进入中心圆片。这种方法起源于日本。面临泵浦均匀性的问题，目前还处于数值模拟和条件试验之中。

[0008] 大尺寸薄片激光器面临的另一个问题是大尺寸激光材料的问题。晶体材料由于晶体生长原理的限制，容易制成棒状，横向尺寸比较小，而激光陶瓷是一个发展方向，但是激光陶瓷的性能还有待提升。

[0009] 综上所述，目前大功率、高能量薄片激光器和激光放大器，仍然绕不过热效应的限制、横向寄生振荡及泵浦均匀性的影响，无法得到高质量的激光输出。

发明内容

[0010] 为解决上述问题，本发明提供一种复合结构式激光放大器。泵浦光从沿楔形激光薄片耦合器薄端端面入射，有利于提高泵浦光耦合效率，同时由于波导的限制，泵浦光的吸收长度很长，泵浦光可以被充分吸收，增加泵浦功率。

[0011] 一种复合结构式激光放大器，包括楔形激光薄片耦合器3和作为增益介质的楔形激光薄片1；其中楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3均为细长薄片，且纵切面为等腰梯形；

[0012] 所述楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3在两者的厚端端面进行共轴拼接；同时楔形激光薄片耦合器3的薄端端面接收入射的泵浦激光束，楔形激光薄片耦合器3再将泵浦激光束耦合进入楔形激光薄片1中；

[0013] 所述楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3的楔角的值等于自身对泵浦激光束的吸收系数。

[0014] 所述楔形激光薄片1为掺杂浓度为1％的Nd:YAG晶体，楔形激光薄片耦合器3为无掺杂的YAG晶体或纯石英晶体。

[0015] 所述楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3的楔角为2.86°，尺寸为21mm×2mm×10mm或21mm×3mm×10mm。

[0016] 所述楔形激光薄片1比表面积大于2.56cm2/g。

[0017] 一种复合结构式激光放大器，还包括激光片夹具2、耦合器夹具4、泵浦源散热片6以及安装板7；

[0018] 所述泵浦源散热片6固定于安装板7上；

[0019] 所述激光片夹具2和耦合器夹具4固定于泵浦源散热片6上；

[0020] 所述楔形激光薄片1安装在激光片夹具2内，楔形激光薄片耦合器3安装在耦合器夹具4内；

[0021] 所述激光片夹具2与耦合器夹具4互相拼接，使内部的楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3纵向拼接形成复合结构式楔形激光薄片。

[0022] 所述激光片夹具2包括一个与楔形激光薄片1相匹配的豁口和一对安装耳；耦合器夹具4包括一个与楔形激光薄片耦合器3相匹配的豁口和一对安装座；其中安装耳和安装座相匹配，实现激光片夹具2和耦合器夹具4的纵向拼接。

[0023] 所述泵浦源散热片6材质为黄铜。

[0024] 所述外界输入的垂直于楔形激光薄片1侧面的种子激光波长为1064nm，泵浦激光束波长为808nm。

[0025] 通过在楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3侧面进行横向拼接，并列多个基于复合结构式激光放大器，得到列阵式激光放大器系统。

[0026] 有益效果：

[0027] 1、本发明的复合结构式激光放大器，泵浦光从楔形激光薄片耦合器薄端端面入射，使得泵浦光的吸收更均匀，有利于提高泵浦光耦合效率；光在楔形激光薄片边界上是内全反射，每反射一次，反射光折返角度增加，增加的角度等于楔角，因此相当于增加了被吸收光的吸收长度，等效于增加了吸收，使楔形激光薄片得到均匀泵浦；同时，本发明的复合结构式楔形激光薄片采用拼接的方式，有利于解决薄片激光放大器大尺寸激光材料的问题；此外，由于楔形激光薄片波导的限制，泵浦光的吸收长度很长，可以被充分吸收，增加了泵浦功率。

[0028] 2、本发明的楔形激光薄片比表面积大于2.56cm2/g，使楔形激光薄片表面散热量与楔形激光薄片泵浦产生的热量处于平衡状态；同时有利于热辐射能与激光自身产生的废热平衡，不需要循环水冷装置，楔形激光薄片的热畸变也很小。

[0029] 3、本发明的采用相互匹配的激光片夹具和耦合器夹具，将楔形激光薄片和楔形激光薄片耦合器拼接起来，使得复合结构式激光器安装更方便简易。

[0030] 4、本发明的一种复合结构式激光放大器，可以沿侧面方向进行横向延伸拼接，且拼接的接合面不用抛光，有利于抑制横向模间耦合，增加横向自发辐射放大的吸收，得到列阵式激光放大器系统；在限制横向振荡的同时，减小在光传输方向上的激光能量损耗，使在楔形激光薄片长度方向上的横向振荡因厚度变化而受到抑制，这种厚度的变化使得横向模式本征值不断变更。

附图说明

[0031] 图1为本发明的复合结构式楔形激光薄片单元示意图；

[0032] 图2(a)为本发明的楔形激光薄片的侧视图；

[0033] 图2(b)为本发明的楔形激光薄片的俯视图；

[0034] 图3为本发明的复合结构式楔形激光薄片向y方向延伸拼接示意图；

[0035] 图4为本发明的复合结构式激光放大器结构示意图；

[0036] 图5为本发明的楔形薄激光片的激光片夹具示意图；

[0037] 图6为本发明的耦合器夹具示意图；

[0038] 1-楔形激光薄片、2-激光片夹具、3-楔形激光薄片耦合器、4-耦合器夹具、5-泵浦激光器、6-泵浦源散热片、7-安装板。

具体实施方式

[0039] 下面结合具体实施方式，对本发明技术方案进行详细的说明。如图1所示，一种复合结构式激光放大器，包括楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3；其中楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3为中心对称的细长薄片，且纵切面为等腰梯形；其中所述等腰梯形的上底对应楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3的薄端，等腰梯形的下底对应楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3的厚端；

[0040] 所述楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3在厚端的端面进行纵向拼接；同时泵浦激光束从楔形激光薄片耦合器3的薄端端面入射，楔形激光薄片耦合器3再将泵浦激光束耦合进入楔形激光薄片1中；楔形激光薄片1作为增益介质，利用接收的泵浦激光束对外界入射的垂直于楔形激光薄片1侧面的种子激光进行放大，实现高质量激光输出；

[0041] 所述楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3的楔角等于自身的吸收系数；

[0042] 所述楔形激光薄片1为Nd:YAG晶体；

[0043] 所述楔形激光薄片耦合器3为无掺杂的YAG晶体或纯石英晶体；

[0044] 所述楔形激光薄片1的比表面积的大小满足：楔形激光薄片1表面散热量与楔形激光薄片1泵浦产生的热量处于平衡状态。

[0045] 如图4所示，一种基于复合结构式激光放大器，还包括激光片夹具2、耦合器夹具4、泵浦源散热片6以及安装板7；其中复合结构式楔形激光薄片由楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3组成；

[0046] 所述泵浦源散热片6固定于安装板7上；

[0047] 所述激光片夹具2以及楔形激光薄片耦合器夹具4固定于泵浦源散热片6上；

[0048] 所述楔形激光薄片1安装在激光片夹具2内，楔形激光薄片耦合器3安装在耦合器夹具4内；其中楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3均为中心对称的细长薄片；

[0049] 所述激光片夹具2拼接耦合器夹具4，使内部的楔形激光薄片1和楔形激光薄片耦合器3纵向拼接形成复合结构式楔形激光薄片，其中楔形激光薄片耦合器3将泵浦激光束耦合进入楔形激光薄片1中；楔形激光薄片1作为增益介质，利用接收的泵浦激光束对外界输入的垂直于楔形激光薄片1侧面的种子激光进行放大，实现高质量激光输出。

[0050] 具体实施例1：

[0051] 本实施例的复合结构式激光放大器，包括楔形激光薄片1、泵浦激光器5、激光片夹具2、楔形激光薄片耦合器3、耦合器夹具4、泵浦源散热片6以及安装板7；其中楔形激光薄片1为掺杂浓度为1％的Nd:YAG晶体，楔角2.86°、长21mm、高(2mm或3mm)、窄宽10mm，侧视图如图2(a)所示，俯视图如图2(b)所示；楔形激光薄片1安装在激光片夹具2内，与固定在耦合器夹具4内的楔形激光薄片耦合器3和泵浦激光器5共同组成激光放大器；图1为本发明的复合结构式楔形激光薄片单元示意图，泵浦光从X的正方向入射，沿Z方向传输，楔形激光薄片厚度沿X方向递增，在Y方向上实现横向拼接；其中图5和图6分别为本发明的本发明的激光片夹具示意图和耦合器夹具示意图。

[0052] 每个泵浦激光器5采用程控电容开关驱动装置驱动，泵浦激光器5储能电容器由稳压充电的电源供电。工作时激光放大器输出808纳米泵浦光，光束经楔形激光薄片耦合器3照射楔形激光薄片1；楔形激光薄片1作为增益介质，在808纳米波长光的泵浦下，对外界输入的垂直于楔形激光薄片1侧面的1064纳米波长的种子光束放大，楔形激光薄片1的垂直纸面方向为本实施例的激光放大器的激光输出方向。本实施例的泵浦激光器5选用的最大输出功率为20瓦，限制最大泵浦功率，达到增益介质楔形激光薄片1每平方厘米净增益100mW，或单脉冲净增脉冲能量0.1焦耳。激光束在增益介质楔形激光薄片1上能够抑制横向寄生振荡，实现均匀泵浦。

[0053] 增益介质楔形激光薄片1的厚度由参数比表面积确定。比表面积是薄片表面积与薄片质量之比，经多次试验验证，取比表面积大于2.56平方厘米每克，散热面积增大，有利于热辐射散热，以致表面散热与泵浦时产生的热在有限升温的条件下达到平衡，增益介质楔形激光薄片1薄片厚度小于3毫米，宽度小于1厘米，掺杂浓度1％原子浓度，按本实施例的泵浦强度，是可靠的工作范围。

[0054] 具体实施例2：

[0055] 将本发明的一个基于复合结构式激光放大器作为激光武器放大系统的一个基本阵元，本实施例采用4个基本阵元的武器级列阵式强激光器放大器，其中基本阵元的楔形激光薄片1、泵浦激光器5、激光片夹具2、楔形激光薄片耦合器3、耦合器夹具4以及泵浦源散热片6都分别选4个，4个泵浦激光器5并排放置或两两布放在楔形激光薄片1与楔形激光薄片耦合器3组成结构的两侧，彼此独立，相互隔离，安装方式安装同第一实施例，如图3所示，本实施例楔形薄片激光片通过在y方向延伸拼接，根据拼接的宽度不同，有利于抑制横向模间耦合；同时，限制基本阵元的增益以后，产生的热量也同样受到抑制。

[0056] 本发明采用的楔形非均匀激光薄片，使得泵浦光的吸收比较均匀；光在边界上是内全反射，但是每反射一次，反射光折返角度增加，增加的角度等于楔角。结果是增加了被吸收光的吸收长度，等效于增加了吸收。通常，固体激光棒都在靠近吸收端有更大的吸收，特别是在表面附近，热积累也发生在这部分，热损伤也在这部分。泵浦光在进入激光棒之后逐渐衰减，按照如下规律：

[0057] I＝I0e-αl            (1)

[0058] 这里，吸收系数α单位是cm-1。我们选取吸收比较小，也就是掺杂浓度比较小，但是增益还是足够满足激光保持阈值之上的条件。泵浦光在增益介质中近似线性衰减，得到[0059] I＝I0(1-αl)          (2)

[0060] 采用光楔形状的增益介质之后，横截面积也是逐渐减小的。因为，功率密度是单位面积通过光的功率，因此可设横截面积是高1乘宽度(1-β)，于是增益介质中泵浦光的功率密度应该是

[0061]

[0062] 我们可以选择楔角β的值等于自身对泵浦激光束的吸收系数α，结果得到泵浦光在增益介质中为常数，即与传输距离无关，得到均匀泵浦。

[0063] 当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。