一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置

摘要

本发明公开了一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，涉及高能激光技术领域。装置包括：多片增益介质和增益介质之间的冷却液流道组成的增益模块、位于增益模块两侧的分区镀膜晶片和异形通光窗口。本发明的直接液冷激光增益装置采用多片增益介质阵列式排布，并通过流动的激光液体散热，可以在降低单片热负载的同时在单位体积内获得较高的激光增益，通过合理地设置异形通光窗口和增益介质的角度及摆放方式，可以在采用以布鲁斯特角入射减小非涅耳反射的同时实现激光的光瞳偏移自补偿，增加交叠效率，具有热管理方式优秀以及输出激光光束质量好等优势。

权利要求

1.一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置包括：多片增益介质（1）和冷却液流道（2）组成的增益模块、位于增益模块两侧的分区镀膜晶片（3）和异形通光窗口（4）；

所述增益介质（1）的长度Lgain与反射次数M、增益介质（1）片数N、布鲁斯特角ӨB、增益介质（1）晶体厚度d1和冷却液流道（2）厚度d2满足以下关系：；

所述冷却液流道（2）为增益介质（1）之间相互间隔形成的微流道；

所述分区镀膜晶片（3）利用分区镀膜的结构对增益模块内的部分区域进行透射以及部分区域进行反射；所述分区镀膜晶片（3）的两个面分别镀不同性质的膜，其中与异形通光窗口（4）相邻的面（S1）镀第一增透膜；与增益介质（1）相邻的面（S2）进行分区镀膜，在第一区域镀第一增透膜，在第二区域镀第二增透膜；

所述第一增透膜为针对泵浦光和主激光波长的增透膜，所述第二增透膜为针对主激光波长的高反膜以及针对泵浦光波长的增透膜；所述第一区域的长度为LAR、第二区域的区域长度为LHR，且两者分别满足以下关系：；

泵浦光（5）从增益模块两测的异形通光窗口（4）导入，对增益介质（1）进行泵浦并产生激光增益；

主激光（L1）以特定角度导入增益模块中，通过多片增益介质（1）的放大后到达对向的分区镀膜晶片（3）的反射区域，以特定的角度将主激光（L1）再反射回激光增益区，多次反射放大后从分区镀膜晶片（3）的透射区域导出增益模块；

所述主激光（L1）以特定角度导入增益模块中是指主激光（L1）以激光冷却液（7）与增益介质（1）之间的布鲁斯特角ӨB入射进增益介质（1）中。

2.根据权利要求1所述的一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置还包括激光折镜（6），用于将主激光（L1）以特定角度导入增益模块中。

3.根据权利要求1所述的一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述异形通光窗口（4）的角度满足采用垂直入射的方式将主激光（L1）导入增益模块中，最终使主激光（L1）在增益介质（1）中的折射偏移量与激光冷却液（7）中的折射偏移量一致。

4.根据权利要求3所述的一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述增益介质（1）包含a、b、c、d四个面，b和d为长边，a面与b面之间的夹角为晶体切角α；增益介质（1）晶体厚度为d1，增益介质（1）间的冷却液流道（2）厚度为d2，增益介质（1）的折射率为n1，液体折射率为n2，增益介质（1）的为了满足主激光（L1）在增益介质（1）中的光瞳折射偏移h1和在液体中的光瞳折射偏移h2一致，对应的晶体切角α的设置需要满足以下关系：，

ӨB为布鲁斯特角。

5.根据权利要求4所述的一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述异形通光窗口（4）包含A、B、C、D四个面，面A和面C平行、面A与面B之间的夹角为γ、面A与面D之间的夹角为角度β；

异形通光窗口（4）的材料折射率为n3，为了使主激光（L1）垂直入射进异形通光窗口（4），需满足如下关系：。

6.根据权利要求5所述的一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，其特征在于，所述异形通光窗口（4）的面B与增益介质（1）的面b平行，所有增益介质（1）的面a与异形通光窗口（4）的面A位于一条直线上。

7.根据权利要求6所述的一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，其特征在于，通过设置合理的晶体切角α，使主激光（L1）光线在增益介质（1）中传输的第一折射偏移量h1与激光冷却液（7）中传输的第二折射偏移量h2一致，实现光瞳偏移自补偿。

说明书

一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置

技术领域

[0001] 本发明涉及高能激光技术领域，尤其是一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置。

背景技术

[0002] 高功率固体激光器以其输出能量大、峰值功率高、可靠性高、使用寿命长的优势，广泛应用于工业、医疗、科研、国防等领域。随着工业加工、军事国防等领域对激光器的需求增加，对激光器的功率、光束质量、体积和重量等指标提出了更高的要求。常规的固体激光器结构，如薄片激光器、板条激光器等，已经很难再在功率体积（重量）比上满足新的需求。热管理是影响激光器功率、效率以及体积重量等指标的关键因素。随着激光器输出功率的提高，对热管理的要求更是进一步的提高。固体激光器常规的热沉式散热方式已经逐渐不能满足高功率激光器高效、快速散热的要求。为了满足散热需求，势必会增加散热结构件的体积和重量，且会增加系统的复杂性。因此，需要设计新型的固体激光器散热方式，开发新型的可实现紧凑化的固体激光器。

[0003] 直接液冷是一种有效的热管理方式，将激光增益介质直接浸泡在冷却液中，通过液体的流动直接带走介质热量，从而实现快速、高效的热管理。在这种高效热管理的支撑下，可以将多片增益介质进行阵列式排列，实现分布式增益。但是对于直接液冷激光器，激光需要多次穿过液体和晶体，由于液体和晶体的折射率不同将导致在界面处产生非涅耳反射，形成较大损耗。常见的思路是采用晶体与液体进行折射率匹配的方式，晶体与液体的折射率相同后将不会产生非涅耳反射，但是自然界中满足折射率匹配且能实现激光输出的晶体和液体的组合极少，限制了该类激光发展。另一种思路是采用液体和晶体间布鲁斯特角入射传输的方式，p偏振激光从液体中以布鲁斯特角入射进晶体中为完全透射无损耗，这种方式的缺点是布鲁斯特角入射会导致光路偏移，激光与增益介质的交叠效率低；另外，采用透射的方式经过激光增益模块虽然可以降低光路的复杂性，却导致单程的激光增益较低，为了提高激光增益就需要使用较多片数的激光增益介质，不仅增加了成本还增加了泵浦耦合的景深要求而增大泵浦光路复杂性，难以支撑极高功率的激光发展。

发明内容

[0004] 本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供了一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，实现增益装置内减小非涅耳反射的同时实现激光的光瞳偏移自补偿，增加交叠效率。

[0005] 本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，所述装置包括：多片增益介质1和冷却液流道2组成的增益模块、位于增益模块两侧的分区镀膜晶片3和异形通光窗口4；

[0007] 所述分区镀膜晶片3利用分区镀膜的结构对增益模块内的部分区域进行透射以及部分区域进行反射；

[0008] 泵浦光5从增益模块两测的异形通光窗口4导入，对增益介质1进行泵浦并产生激光增益。

[0009] 所述异形通光窗口4的角度满足采用垂直入射的方式将主激光L1导入增益模块中，且同时满足主激光L1以激光冷却液7与增益介质1之间的布鲁斯特角ӨB入射进增益介质1中，最终使主激光L1在增益介质1中的折射偏移量与激光冷却液7中的折射偏移量一致。

[0010] 优选的，通过设置增益介质1和异形通光窗口4的相应参数、两者的位置摆放关系、以及合理的晶体切角α，使主激光L1光线在增益介质1中传输的第一折射偏移量h1与激光冷却液7中传输的第二折射偏移量h2一致，实现光瞳偏移自补偿；再通过多片增益介质1的放大后到达对向的分区镀膜晶片3的反射区域，以特定的角度将主激光L1再反射回激光增益区，多次反射放大后从分区镀膜晶片3的透射区域导出增益模块；同时泵浦光5从增益装置两端异形镜窗口导入，对增益介质进行泵浦产生激光增益。

[0011] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

[0012] 与现有技术相比，本发明提供的高交叠效率直接液冷激光增益装置采用多片增益介质阵列式排布，并通过流动的激光液体散热，可以在降低单片热负载的同时在单位体积内获得较高的激光增益。其次本发明技术方案通过合理地设置异形通光窗口和增益介质的角度及摆放方式，可以在采用以布鲁斯特角入射减小非涅耳反射的同时实现激光的光瞳偏移自补偿，增加交叠效率。本发明提供的高交叠效率直接液冷激光增益装置不仅具有热管理方式优秀以及输出激光光束质量好等优势，同时装置紧凑、小巧，在高功率激光器领域中具有重要的应用前景。

附图说明

[0013] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

[0014] 图1是本发明提供的的高交叠效率直接液冷激光增益装置示意图；

[0015] 图2是本发明的激光增益装置中涉及的增益模块结构示意图；

[0016] 图3是本发明激光增益装置中设计的异形通光窗口结构示意图；

[0017] 图4是本发明激光增益装置中设计的分布式反射光路示意图；

[0018] 图5是本发明激光增益装置中设计的分区镀膜晶体示意图；

[0019] 图6是本发明激光增益装置的一种具体实施应用示意图；

[0020] 图7是本发明激光增益装置的另一种具体实施应用示意图；

[0021] 图中：1、增益介质，2、冷却液流道，3、分区镀膜晶片，4、异形通光窗口，5、泵浦光，6、激光折镜，7、激光冷却液，8、谐振腔输出镜，9、谐振腔全反镜，10、泵浦源，11、泵浦光折镜、12、激光放大器种子源。

具体实施方式

[0022] 为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

[0023] 实施例1

[0024] 如图1所示，图1为一种高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置，包括结构包括：由多片增益介质1和冷却液流道2组成的增益模块、以及位于增益模块两侧的分区镀膜晶片3和异形通光窗口4。

[0025] 在一个实施例中所述增益模块中采用数片、数十片或者数百片的增益介质1进行分布式阵列排列，增益介质1之间相互间隔形成微流道作为冷却液流道2。

[0026] 泵浦光5从增益模块两测的异形通光窗口4导入，对增益介质1进行泵浦并产生激光增益。

[0027] 在一个实施例中所述激光增益装置还可以包括激光折镜6，用于将主激光L1以一定的角度导入增益模块中，以及可以用于将输出激光L2导出增益模块。

[0028] 所述增益介质1用于产生激光增益、实现激光放大，同时对主激光L1设定一定的切割角度，保证光瞳补偿。

[0029] 本发明实施例中对增益介质1的材料无特殊优选，可选具有各向同性的增益介质材料，例如Nd:YAG材料，也可选择具有双折射特性的各向异性的激光晶体作为增益介质，例如Nd:YLF。

[0030] 所述激光冷却液7在增益介质1之间的冷却液流道2内流动、并流过增益介质1的表面，从而实现对增益介质1的直接冷却。

[0031] 在一个实施例中优选具有高热力学性能（包括高热导率、大热容等）、且对激光波长和泵浦光波长无明显光吸收的液体作为激光冷却液7，例如重水、四氯化碳等。

[0032] 所述分区镀膜晶片3利用分区镀膜的结构对增益模块内的部分区域进行透射以及部分区域进行反射，从而实现高交叠效率和高效率提取。

[0033] 所述异形通光窗口4用于传导泵浦光5和主激光L1，使得泵浦光5被增益介质1吸收以及主激光L1以特定角度进入增益模块中。其中异形通光窗口4的角度经过设计后满足可采用垂直入射的方式将主激光L1导入增益模块中，且同时满足主激光L1能以布鲁斯特角ӨB入射进增益介质1中，最终能够使主激光L1在增益介质1中的折射偏移量与激光冷却液7中的折射偏移量一致，实现光偏移自补偿。

[0034] 实施例2

[0035] 如图2和图3所示，图2为增益模块中增益介质1和冷却液流道2的结构示意，图3为异形通光窗口4的结构示意，其中图2中的a、b、c、d分别表示增益介质1的四个面，图3中的A、B、C、D分别表示异形通光窗口4的四个面。

[0036] 在实际工作中，主激光L1经过激光折镜6的折射后，以垂直方式经过面D入射进异形通光窗口4中，并经过面B导入激光冷却液7中，再以激光冷却液7与增益介质1之间的布鲁斯特角ӨB导入增益介质1中。

[0037] 为了实现增益装置的高交叠效率，需要对增益介质1和异形通光窗口4的角度以及摆放方式进设计。

[0038] 作为优选实施例，两者的摆放位置方式为：异形通光窗口4的面B与增益介质1的面b平行，所有增益介质1的面a与异形通光窗口4的面A位于一条直线上。

[0039] 其中增益介质1的角度设置为：根据激光器增益及热管理需要，设置增益介质1的晶体厚度为d1，增益介质1间的冷却液流道2厚度为d2，增益介质1的折射率为n1，液体折射率为n2，增益介质1的a面与b面之间的晶体切角为α。为了满足主激光L1在增益介质1中的光瞳折射偏移h1和在液体中的光瞳折射偏移h2一致，从而实现自补偿，对应的晶体切角α的设置需要满足以下关系：

[0040]

[0041] 所述异形通光窗口4的角度设置为：异形通光窗口4材料的折射率为n3，且异形通光窗口4的面A和面C平行、面A与面B之间的夹角γ与增益介质1的晶体切角α一致；同时，为了能够使主激光L1垂直入射进异形通光窗口4，面A与面D之间的角度β需要专门设置，满足如下关系：

[0042]

[0043] 。

[0044] 通过设置合理的晶体切角α，使得主激光L1光线在增益介质1中传输的第一折射偏移量h1与激光冷却液7中传输的第二折射偏移量h2一致，实现光瞳偏移自补偿，保证了通光的高交叠效率。再通过多片增益介质1的放大后到达对向的分区镀膜晶片3的反射区域，以特定的角度将主激光L1再反射回激光增益区，多次反射放大后从分区镀膜晶片3的透射区域导出增益模块。同时泵浦光5从增益装置两端异形镜窗口导入，对增益介质1进行泵浦产生激光增益。

[0045] 实施例3

[0046] 为了实现在增益装置内的多次反射以获得高的激光增益，还需要对增益介质1的片数和长度进行设计。

[0047] 其中，为了实现激光的高效率提取，需要保证主激光L1通过增益介质1的所有区域，即在入射区域内的入射主激光L1的最左光线L1‑L经过一次反射后恰好与入射主激光L1的最右光线L1‑R重合（或者非常接近），且输出激光L2的最右光线L2‑R在最后一次反射前恰好与最左光线L2‑L重合，如图4所示。

[0048] 因此增益介质1的长度Lgain与反射次数M、增益介质1片数N、布鲁斯特角ӨB、晶体厚度d1和流道厚度d2满足以下关系：

[0049] 。

[0050] 对于分区镀膜晶片3的长度以及切角等参数与增益介质1长度等参数一致，分区镀膜晶片3的基质为未掺杂的晶体，例如YAG材质晶体，与增益介质1的基质也相同。

[0051] 分区镀膜晶片3的两个面分别镀不同性质的膜。其中与异形通光窗口4相邻的面S1镀第一增透膜；与增益介质1相邻的面S2需要进行分区镀膜，在第一区域S2‑AR区域镀第一增透膜，在第二区域S2‑HR区域镀第二增透膜，如图5所示。

[0052] 所述第二增透膜为针对泵浦光和主激光（L1）波长的增透膜，所述第二增透膜为针对主激光L1波长的高反膜以及针对泵浦光波长的增透膜。

[0053] 其中第一区域S2‑AR的区域长度为LAR、第二区域S2‑HR的区域长度为LHR，且两者分别满足以下关系：

[0054]

[0055] 。

[0056] 其中第一区域S2‑AR区域的长度LAR即为入射主激光L1的入射区域长度。

[0057] 通过如上所述的参数设计，增益模块内的分布式反射式设计可实现光斑左侧区域经过反射后与光斑右侧区域重叠，即主激光L1经过增益模块一次即可对增益介质1进行两次激光提取，极大地提高提取效率。

[0058] 需要说明的是本发明实施例中对增益介质1以及分区镀膜晶片3的长度设计满足以上关系即可，对于宽度方向参数无明确限制。

[0059] 实施例4

[0060] 图6为本发明激光增益装置的一个具体实施应用，为一种基于高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置的激光谐振腔，该激光谐振腔结构包括：高交叠效率直接液冷激光增益装置、泵浦源10、泵浦光折镜11、谐振腔输出镜8和谐振腔全反镜9。

[0061] 激光谐振腔采用双端泵浦的方式，两端的泵浦源10发出的泵浦光5经过泵浦光折镜11导入激光谐振腔内。同时主激光经过激光折镜6导入到增益模块内，泵浦光5被增益介质1吸收，激光在谐振腔输出镜8和谐振腔全反镜9形成的谐振腔内多次往返放大，最终激光在谐振腔内多次反馈，获得足够的增益后经过谐振腔输出镜8输出。

[0062] 在优选实施例中可以选取多种激光谐振腔的方式获得主激光输出，包括稳腔、非稳腔、介稳腔等。

[0063] 实施例5

[0064] 图7为本发明激光增益装置的另一个具体实施应用，为一种基于高交叠效率分布反射式直接液冷激光增益装置的激光放大器，该激光放大器结构包括：高交叠效率直接液冷激光增益装置、泵浦源10、泵浦光折镜11、激光放大器种子源12。激光谐振腔采用双端泵浦的方式，两端的泵浦源10发出的泵浦光5经过泵浦光折镜11导入激光谐振腔内。激光放大器种子源12输出的种子激光D1由激光折镜6导入增益模块中，经过多次反射后获得足够放大，由另一片折镜导出。

[0065] 在优选实施例中可以采用多种激光放大的方式获得种子激光输出，包括各种主振荡级放大器、再生放大器等。

[0066] 通过如上所述采用多片增益介质阵列式排布，并通过流动的激光冷却液体散热的增益模块，可以在降低单片增益介质热负载的同时在单位体积内获得较高的激光增益。通过合理地设置异形窗口和增益介质的角度及摆放方式，可以在采用布鲁斯特角入射减小非涅耳反射的同时实现激光的光瞳偏移自补偿，增加交叠效率。

[0067] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

[0068] 本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。