基于直接液冷阵列分布增益模块的变口径多通激光放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于直接液冷阵列分布增益模块的变口径多通激光放大器，包括直接液冷阵列分布增益模块、泵浦光源系统和分区变口径多通放大光路系统；所述泵浦光源系统用于将泵浦光注入所述增益模块中，以使所述增益模块产生激光增益；所述分区变口径多通放大光路系统对输入所述放大器的种子激光进行反射，使其至少两次经过所述增益模块，并对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大。本发明专利技术采用大增益口径的直接液冷阵列式激光增益模块，晶体生热密度低，可以实现有效热管理；利用多通次、口径逐渐变大的放大方式，保证每通次通光功率密度一致，能提高激光提取效率。利用单一增益模块即可实现多通放大，放大器体积小、重量轻、可靠性高。

Variable aperture multi pass laser amplifier based on distributed gain module of direct liquid cooled array

【技术实现步骤摘要】
基于直接液冷阵列分布增益模块的变口径多通激光放大器
本专利技术涉及高能激光
，尤其是一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器。
技术介绍
高平均功率全固态激光在前沿科学研究、国民经济、国家安全等领域发挥着重要作用，是激光领域的研究热点和重要方向。目前，美国、日本、俄罗斯等科技发达国家都竞相以国家计划形式支持高功率全固态激光的发展；中国也将其写入《国家中长期科学与技术发展规划纲要2006-2020》，作为激光技术及应用的重大方向之一。随着激光功率增大而导致的严重热效应成了限制全固态激光器获得高平均功率、高光束质量激光输出的核心问题。主振荡功率放大器是实现高功率固体激光输出的有效方式，常见的是高功率板条放大器，板条放大器以“之”字形光路穿过板条，可以实现像差自补偿。但是板条产热密度高难以实现有效热管理，且通光口径小导致各级放大之间需要采用复杂的4f系统进行相传递，光路复杂，稳定性差。因此，为了支撑全固态高功率激光发展，需要采用新的激光放大构型。直接液冷是一种有效的热管理方式，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。这种增益方式的优点是可以在降低单片增益介质产热率的同时在单位体积内获得极高的增益，实现激光器的紧凑化、小型化。美国专利文献US7366211B2公开了一种液体直接冷却的激光器，所述激光装置是一个将多片介质置于液体中，单通侧泵浦的方式实现激光输出，这是一种新的激光器设计思路。但是对于这样的一种激光器，由于采用单通侧泵的方式，增益介质的负指数吸收导致晶体的增益不均匀，无法实现均匀的激光放大，最终导致激光放大效率低且难以获得高光束质量输出。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器，实现有效热管理的同时实现激光的高效和高光束质量输出。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器，包括直接液冷阵列分布增益模块、泵浦光源系统和分区变口径多通放大光路系统；所述泵浦光源系统用于将泵浦光注入所述增益模块中，以使所述增益模块产生激光增益；所述分区变口径多通放大光路系统对输入所述放大器的种子激光进行反射，使其至少两次经过所述增益模块，并对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大。所谓的每通次再进入增益模块前的激光，是指经过增益模块功率放大并出射后，需要再次进入增益模块，但还未进入增益模块的激光。即除种子激光外，其余每通次进入增益模块的激光。对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大，即对于每通次需要再进入增益模块的激光，在其进入增益模块前，对其口径进行放大。这样，在每通次进入增益模块后，激光口径逐渐变大，能有效规避由于功率密度过高导致增益模块中的增益介质损伤的问题。上述的激光多通次经过增益模块，每一次经过，增益模块都对激光产生一次增益，实现了采用同一增益模块对激光进行多次放大的目的。同时，该方案采用大增益口径的直接液冷阵列式激光增益模块，其生热密度低，可以实现有效热管理。进一步的，所述直接液冷阵列分布增益模块包括阵列式增益介质和通光窗口，所述通光窗口设置于所述阵列式增益介质的两侧，所述阵列式增益介质由若干薄片式激光增益介质进行阵列式排列而成，相邻薄片式激光增益介质之间形成供液体流过的微流道。通光窗口用于传输激光，使之通过内部增益介质。阵列式增益介质具有微流道，冷却液通过该微流道时即可带走热量，实现对增益介质的冷却，该种方式具有低生热密度的特点。进一步的，所述直接液冷阵列分布增益模块还包括框体结构，该框体结构包括内框和外框，所述内框安装于所述外框中，且与所述外框分离设置；所述通光窗口设置于所述外框上，所述阵列式增益介质设置于所述内框中。增益模块设计为内外框分离结构，内框用于固定晶体、外框用于固定内框及通光窗口。设计内、外框结构，同时内、外框之间分离设置(即存在间隙)，使得冷却液在进入增益模块内部时，在流入增益介质的微流道的同时，流入内、外框之间的缝隙中，实现对通光窗口的冷却；同时可以有效防止冷却液流场串扰，保证在增益区域实现高均匀流场。进一步的，所述外框的液体流入口设置有导流锥，所述导流锥通作为冷却液进入所述增益模块的入口。导流锥可以对进入的冷却液进行初步分散和降速，完成初步匀化处理，使得冷却液可以较为匀速地通过增益介质，从而达到均匀的热分布，减小了热致波前畸变。进一步的，所述薄片式激光增益介质包括：沿液体流过所述微流道的方向依次连接的耗散段晶体、增益段晶体和恢复段晶体，所述通光窗口设置于与所述增益段晶体相对应的位置。这样设计，使得冷却液首先流过耗散段晶体区域将湍流进一步耗散，保证到达增益段晶体的液体在展向的速度均匀性，液体经过恢复段晶体后流出装置内框。进一步的，所述分区变口径多通放大光路系统包括：对应于各通次需要反射进所述增益模块的激光，沿激光从所述增益模块出射光路方向依次设置的三角锥型镜和激光扩束系统。三角锥棱镜作为发生两次反射的设施(可替换为其他设备)，其将入射激光反射到激光扩束系统进行扩束(口径放大)，激光扩束系统的出射光再次入射到增益模块，实现对激光的再放大。进一步的，对于各通次需要反射进所述增益模块的激光，对应的激光扩束系统所出射的激光进入所述增益模块的区域不同。即每通次通过增益模块的激光之间不发生重合，以防止相互干扰。进一步的，各所述激光扩束系统对激光口径放大的比例均设计为：使出射的激光与所述种子激光的激光功率密度一致。即各通次放大激光口径按上一通次激光放大比例进行改变，确保每通次进入增益模块的激光的激光功率密度一致，防止对增益模块中的增益介质造成损伤。进一步的，所述分区变口径多通放大光路系统还包括：对应于各组三角锥型镜和激光扩束系统的双色分光镜，所述双色分光镜将各通次需要反射进所述增益模块的激光反射进对应的三角锥型镜，激光经三角锥型镜两次反射后进入对应的激光扩束系统进行口径放大，激光扩束系统出射的激光经所述双色分光镜反射进所述增益模块。设计双色分光镜便于增益模块之外的设施的布置。进一步的，所述泵浦光源系统包括：设置于各所述双色分光镜远离所述增益模块的一侧的泵浦耦合系统，各泵浦耦合系统的泵浦光均通过对应的双色分光镜导入所述增益模块。这样，各泵浦耦合系统在经双色分光镜后，通过通光窗口进入增益模块内部对增益介质进行激励。该设计一方面使得放大器设备更加紧凑，另一方面可以使得泵浦光对增益介质的激励最大化。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本设计利用基于直接液冷阵列式激光增益模块的大增益口径特点，利用同一增益模块实现对激光的多次放大，相对于4f相传递系统，大大降低了系统的复杂度。同时，多通次、口径逐渐变大的放大方式，能有效规避由于功率密度过高导致晶体损伤问题。2、本设计采用大增益口径的直接液冷阵列式激光增益模块，晶体生热密度低，可以实现有效热管理。...

【技术保护点】
1.一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器，其特征在于，包括直接液冷阵列分布增益模块、泵浦光源系统和分区变口径多通放大光路系统；所述泵浦光源系统用于将泵浦光注入所述增益模块中，以使所述增益模块产生激光增益；所述分区变口径多通放大光路系统对输入所述放大器的种子激光进行反射，使其至少两次经过所述增益模块，并对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于直接液冷阵列分布增益模块的分区变口径多通激光放大器，其特征在于，包括直接液冷阵列分布增益模块、泵浦光源系统和分区变口径多通放大光路系统；所述泵浦光源系统用于将泵浦光注入所述增益模块中，以使所述增益模块产生激光增益；所述分区变口径多通放大光路系统对输入所述放大器的种子激光进行反射，使其至少两次经过所述增益模块，并对每通次再进入增益模块前的激光的口径进行放大。


2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述直接液冷阵列分布增益模块包括阵列式增益介质和通光窗口，所述通光窗口设置于所述阵列式增益介质的两侧，所述阵列式增益介质由若干薄片式激光增益介质进行阵列式排列而成，相邻薄片式激光增益介质之间形成供液体流过的微流道。


3.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述直接液冷阵列分布增益模块还包括框体结构，该框体结构包括内框和外框，所述内框安装于所述外框中，且与所述外框分离设置；所述通光窗口设置于所述外框上，所述阵列式增益介质设置于所述内框中。


4.如权利要求3所述的放大器，其特征在于，所述外框的液体流入口设置有导流锥，所述导流锥通作为冷却液进入所述增益模块的入口。


5.如权利要求3或4所述的放大器，其特征在于，所述薄片式激光增益介质包括：沿液液体流过所述微流道的方向依次连接的耗...

【专利技术属性】
技术研发人员：易家玉，胡浩，阮旭，涂波，曹海霞，高清松，唐淳，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院应用电子学研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51