双面传导冷却多薄片激光放大器及系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种双面传导冷却多薄片激光放大器及系统，所述放大器包括：激光头、腔室和外部冷源；激光头包括增益介质、热沉、冷却金属、第一接触物和第二接触物；增益介质和热沉均呈片状，增益介质和热沉平行间隔分立设置；冷却金属置于增益介质和热沉的外围，冷却温度恒定，增益介质和热沉的中心同轴，增益介质所在平面垂直于此中心轴线；增益介质的边缘与热沉的边缘通过第一接触物相连接；热沉两个面的边缘与冷却金属的内壁通过第二接触物相连接。本发明专利技术实施例提供的双面传导冷却多薄片激光放大器及系统，具有增益介质无渐变、间隔或梯度掺杂等特殊要求、冷却作用过程简单、结构紧凑和散热效果好的优势，有利于多薄片激光器的高功率输出。

【技术实现步骤摘要】
双面传导冷却多薄片激光放大器及系统
本专利技术涉及激光
，尤其涉及一种双面传导冷却多薄片激光放大器及系统。
技术介绍
为了满足更高功率激光输出和结构紧凑的要求，尤其是在激光聚变需求的牵引下，基于多薄片结构的高功率全固态激光器受到了广泛关注。此结构采用间隔分立的多薄片增益介质，能够提供较高的增益，通过低温氦气或者直接液冷可有效的移除介质中的废热确保了激光器的正常运行。现有技术中，对低温氦气冷却的激光放大器，多选用渐变和间隔掺杂或者梯度掺杂的叠片增益介质，而液体直接冷却薄片固体激光介质是将薄片增益介质直接浸入到冷却液中，激光直接透射冷却液和薄片介质，选用折射率匹配的冷却液能大大降低激光穿过冷却液和薄片的损耗，能够实现大量薄片的串接，是固体激光实现十万瓦高功率输出的技术路线之一。但是，当采用低温冷却时，增益介质多选用渐变和间隔掺杂或者梯度掺杂的叠片，这无疑增大了增益介质的制备难度和复杂性；当采用液体直接冷却时，由于激光直接穿过冷却液，在激光振荡中的流场特性、热力学特性及各种光学特性相互耦合，使得作用过程复杂。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种双面传导冷却多薄片激光放大器及系统，用于解决现有技术中的上述技术问题。为了解决上述技术问题，一方面，本专利技术实施例提供一种双面传导冷却多薄片激光放大器，包括：激光头、腔室和外部冷源；所述激光头设置在所述腔室内，所述激光头的冷却金属通过所述腔室的壁面与外部冷源相连，所述腔室内充入真空，所述腔室的两个端面各设置一个窗口片；所述激光头包括增益介质、热沉、冷却金属、增益介质与热沉间的第一接触物和热沉与冷却金属间的第二接触物；所述增益介质和所述热沉均呈片状，所述增益介质和所述热沉平行间隔分立设置；所述冷却金属置于增益介质和热沉的外围，且冷却温度恒定，所述增益介质和所述热沉的中心同轴，所述增益介质所在平面垂直于此中心轴线；所述增益介质的边缘与所述热沉的边缘通过第一接触物相连接，使所述增益介质与所述热沉之间形成第一夹层；所述热沉两个面的边缘与所述冷却金属的内壁通过第二接触物相连接，使所述热沉与所述冷却金属之间形成第二夹层，所述增益介质与所述冷却金属之间形成第三夹层。进一步地，所述增益介质的厚度小于10毫米。进一步地，所述第一夹层的厚度小于100微米。进一步地，所述第一夹层内的气压小于或等于1巴。进一步地，所述第一夹层内充入惰性气体、氢气或氮气。进一步地，所述热沉的材料为蓝宝石。进一步地，所述冷却金属的材料为铜，恒定冷却温度为100K或80K。进一步地，所述第二夹层内充入真空，所述第三夹层内充入真空。进一步地，所述增益介质的材料为Yb:CaF2或Yb:YAG。另一方面，本专利技术实施例提供一种双面传导冷却多薄片激光放大系统，包括上述的双面传导冷却多薄片激光放大器，还包括泵浦源和二向色镜；泵浦光从单侧方向或者双侧方向泵浦，经所述二向色镜后，从端面进入所述双面传导冷却多薄片激光放大器，实现对输入激光的能量放大。本专利技术实施例提供的双面传导冷却多薄片激光放大器及系统，具有增益介质无渐变、间隔或梯度掺杂等特殊要求、冷却作用过程简单、结构紧凑和散热效果好的优势，有利于多薄片激光器的高功率输出。附图说明图1为本专利技术实施例提供的双面传导冷却多薄片激光放大器结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的双面传导冷却多薄片激光放大器散热原理示意图；图3为本专利技术实施例提供的双面传导冷却多薄片激光放大系统结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。激光二极管(LD)泵浦的高功率全固态激光器是当前国际激光
竞相研究的热点，其在先进制造、精密探测、聚变研究、军事等领域有着广泛的用途。但高功率全固态激光器的发展始终受到热效应的制约，这是因为在高功率抽运过程中，增益介质输出激光的同时会产生大量的无用热。这些无用热的存在会导致热透镜、热应力、退偏、双折射等不良效应，从而致使激光光束质量下降、输出功率受限，甚至造成工作介质破坏，严重限制了激光器的最大输出平均功率。在此情况下，具有较小热效应的新型薄片激光器应运而生，由于薄片激光器的诸多优点：LD泵浦薄片激光器结构紧凑、质量轻、体积小、激光晶体允许注入的泵浦功率很高且晶体内温度基本可以保持恒定等特点，迅速成为了国内外各研究机构的研究重点。国外Giesen等人实现了薄片激光器从概念提出到具体实验的跨越，设计了从单通到多通泵浦薄片的方案，已成为薄片激光器中最大量使用的泵浦方式。国内许多单位也进行了多通泵浦薄片的研究，但由于此类薄片激光器的有限增益介质体积对激光器储能的制约，为实现更高功率的激光输出，国内外开展了多薄片串接的薄片激光器研究，这种多薄片串联的方案能够弥补单个薄片激光器储能不足的劣势，但是串联方案结构一般较为复杂，并且体积较庞大。为了满足更高功率激光输出和结构紧凑的要求，尤其是在激光聚变需求的牵引下，基于多薄片结构的高功率全固态激光器受到了广泛关注。此结构采用间隔分立的多薄片增益介质，能够提供较高的增益，通过低温氦气或者直接液冷可有效的移除介质中的废热确保了激光器的正常运行。国内外对低温氦气冷却的激光放大器，多选用渐变和间隔掺杂或者梯度掺杂的叠片增益介质，而液体直接冷却薄片固体激光介质是将薄片增益介质直接浸入到冷却液中，激光直接透射冷却液和薄片介质，选用折射率匹配的冷却液能大大降低激光穿过冷却液和薄片的损耗，能够实现大量薄片的串接，是固体激光实现十万瓦高功率输出的技术路线之一。目前国内外学者一直致力于薄片激光器的高功率激光输出，由于薄片激光器的单片增益有限，储能难以提升，功率定标放大困难，片间串接光学系统复杂，未能体现结构紧凑的问题，目前采用的多薄片激光器是实现高能输出和结构紧凑的一个有效手段。当增益介质从单一薄片发展到多薄片时，冷却方式也从最初的端面直接连接散热装置，散热装置可以是水冷、气冷等，而发展到采用低温冷却和液体直接冷却的方式。但是对于多薄片激光器的设计研究，当采用低温冷却时，增益介质多选用渐变和间隔掺杂或者梯度掺杂的叠片，这无疑增大了增益介质的制备难度和复杂性；当采用液体直接冷却时，由于激光直接穿过冷却液，在激光振荡中的流场特性、热力学特性及各种光学特性相互耦合，使得作用过程复杂。虽然借助主动光学控制技术，可以对一些低频的像差进行校正，但在激光通光路径中有高频湍流产生时，其光束质量还需要采用更好的控制手段。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种双面传导冷却多薄片激光放大器及系统，在此激光放大器及系统工作时，泵浦光从单侧方向或者双侧方向泵浦，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双面传导冷却多薄片激光放大器，其特征在于，包括：/n激光头、腔室和外部冷源；/n所述激光头设置在所述腔室内，所述激光头的冷却金属通过所述腔室的壁面与外部冷源相连，所述腔室内充入真空，所述腔室的两个端面各设置一个窗口片；/n所述激光头包括增益介质、热沉、冷却金属、增益介质与热沉间的第一接触物和热沉与冷却金属间的第二接触物；/n所述增益介质和所述热沉均呈片状，所述增益介质和所述热沉平行间隔分立设置；冷却金属置于增益介质和热沉的外围，且冷却温度恒定，增益介质和热沉的中心同轴，增益介质所在平面垂直于此中心轴线；/n所述增益介质的边缘与所述热沉的边缘通过第一接触物相连接，使所述增益介质与所述热沉之间形成第一夹层；/n所述热沉两个面的边缘与所述冷却金属的内壁通过第二接触物相连接，使所述热沉与所述冷却金属之间形成第二夹层，所述增益介质与所述冷却金属之间形成第三夹层。/n

【技术特征摘要】
1.一种双面传导冷却多薄片激光放大器，其特征在于，包括：
激光头、腔室和外部冷源；
所述激光头设置在所述腔室内，所述激光头的冷却金属通过所述腔室的壁面与外部冷源相连，所述腔室内充入真空，所述腔室的两个端面各设置一个窗口片；
所述激光头包括增益介质、热沉、冷却金属、增益介质与热沉间的第一接触物和热沉与冷却金属间的第二接触物；
所述增益介质和所述热沉均呈片状，所述增益介质和所述热沉平行间隔分立设置；冷却金属置于增益介质和热沉的外围，且冷却温度恒定，增益介质和热沉的中心同轴，增益介质所在平面垂直于此中心轴线；
所述增益介质的边缘与所述热沉的边缘通过第一接触物相连接，使所述增益介质与所述热沉之间形成第一夹层；
所述热沉两个面的边缘与所述冷却金属的内壁通过第二接触物相连接，使所述热沉与所述冷却金属之间形成第二夹层，所述增益介质与所述冷却金属之间形成第三夹层。


2.根据权利要求1所述的双面传导冷却多薄片激光放大器，其特征在于，所述增益介质的厚度小于10毫米。


3.根据权利要求1所述的双面传导冷却多薄片激光放大器，其特征在于，所述第一夹层的厚度小于100微米。

【专利技术属性】
技术研发人员：聂树真，赵天卓，樊仲维，肖红，赵晟海，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11