一種雷射放大器的製作方法

2023-05-24 08:42:11

本發明屬於雷射器械技術領域，涉及一種雷射放大器。

背景技術：

採用主振蕩功率放大(mopa)系統—主振蕩器輸出低功率高光束質量的雷射，通過功率放大器最終獲得高功率的雷射輸出，是實現高功率高光束質量雷射輸出的有效途徑之一。

在大口徑雷射器中，例如板條或者薄片作為增益介質的雷射器中，大口徑增益介質通常焊接在冷卻器上，增益介質與冷卻器一同構成增益介質模塊。要獲得高功率雷射輸出，通常僅採用一級放大是遠遠不夠的，而每增加一片雷射增益介質，都需要增加與其對應的一整套冷卻器設備，即一個增益模塊，因此隨著雷射器功率的增加，整個mopa系統將會變得十分龐大。

為此，美國專利申請(申請號：us7366211b2)公開了一種雷射放大器，包括種子光源、泵浦源和增益模塊，增益模塊包括內設有冷卻液的冷卻盒體和多片雷射增益晶體，多片雷射增益晶體浸入在冷卻液中，冷卻液直接流過雷射增益晶體表面實現對雷射增益晶體的冷卻，由於僅需一個冷卻盒體就能實現對多片雷射增益晶體的冷卻，使得雷射器的體積變得緊湊、小巧。

但上述的雷射放大器仍存在以下缺陷：1、由於種子光源發射的種子雷射需要經過各雷射增益晶體進行多級增益放大，因此種子雷射是沿多片雷射增益晶體的分布方向入射的，種子雷射需要穿過冷卻液，而冷卻液在對雷射增益晶體冷卻的過程中會受熱，因此會造成雷射的波前畸變，從而影響光的轉換效率。2、由於冷卻液和增益介質折射率的差異，因此種子雷射在從固體的雷射增益晶體中進入到流體的冷卻液中、以及從流體的冷卻液中進入到固體的雷射增益晶體中的流固界面的傳播過程中，造成的界面損耗較大，從而影響光的轉換效率。3、種子雷射垂直通過整個冷卻盒體，形成的增益路徑較短，光的轉換效率較低。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有的技術存在上述問題，提出了一種雷射放大器，本發明所要解決的技術問題是：如何提高光的轉換效率。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：一種雷射放大器，包括種子光源、泵浦源和增益模塊，所述增益模塊包括盒體，所述盒體內設有若干呈長板狀且依次平行排列的雷射增益晶體，所述盒體內還設有能夠循環流動的冷卻液，各雷射增益晶體均位於所述冷卻液中,其特徵在於，所述種子光源與第一個雷射增益晶體的一端面相對，所述雷射增益晶體的折射率大於冷卻液的折射率，所述種子光源發射出的種子雷射從雷射增益晶體的端面入射且能在雷射增益晶體內實現全反射，並沿雷射增益晶體的長度方向從另一個端面出射，相鄰的雷射增益晶體之間還設有能夠將從上一個雷射增益晶體中出射的雷射反射到下一個雷射增益晶體中實現全反射的成像模塊。

本雷射放大器，將多個雷射增益晶體浸入在冷卻液中，冷卻液流過雷射增益晶體的兩個板面進行冷卻，從而僅需一個冷卻盒體就能實現對多片雷射增益晶體的冷卻，結構緊湊。雷射增益晶體的折射率大於冷卻液的折射率，即雷射增益晶體為光密介質，冷卻液為光疏介質，種子光源發射出的種子雷射從雷射增益晶體的端面入射且能在雷射增益晶體內實現全反射，沿雷射增益晶體的長度方向從另一個端面出射，並通過成像模塊的作用反射到下一個雷射增益晶體中，依次重複全反射。即種子雷射不會通過冷卻液，雷射不會受到冷卻液流場的影響產生波前畸變。同時雷射的傳播全部在雷射增益晶體中進行，也不用再經過流固界面的傳播，不會在傳播過程中產生界面耗損，提高了光轉換的效率。而且雷射沿著雷射增益晶體的長度方向傳播並在雷射增益晶體中走全反射折線路徑，增益的路徑更長，進一步提高了光轉換的效率。

在上述的雷射放大器中，所述雷射增益晶體的兩端伸出盒體外且與盒體之間為密封連接，所述種子光源位於盒體的一側且與第一個雷射增益晶體的一端面相對，所述成像模塊設置在盒體外且位於對應相鄰兩雷射增益晶體之間，所述種子光源發射出的種子雷射的入射方向與所述雷射增益晶體的長度方向一致，所述雷射增益晶體的兩端面為斜面且兩端面的傾斜方向相反傾斜角度相同。雷射增益晶體的兩端伸出盒體外，種子光源位於盒體的一側與第一個雷射增益晶體的一端面相對，同時成像模塊也設置在盒體外，從而使得種子光源發射出的種子雷射能夠直接進入雷射增益晶體中並在各雷射增益晶體之間傳播，雷射不會經過盒體，避免了雷射在傳播過程中的界面損耗，進一步提高了光轉換的效率。同時兩端面的傾斜方向相反且傾斜角度相同，從而能夠保證從雷射增益晶體一端面入射的雷射經全反射走折線路徑反射到另一端面經該端面折射後能夠沿平行長度方向出射，並經成像模塊反射後沿平行於長度方向入射到下一個雷射增益晶體中。同時將雷射增益晶體的兩端面設計成斜面，因此種子光源發射出的雷射相對雷射增益晶體的長度方向平行入射即可，結構更為緊湊。

在上述的雷射放大器中，所述雷射增益晶體端面的傾斜角度θ滿足以下公式：0°＜θ0＜θ＜90°，其中，n0為空氣折射率，nl為冷卻液折射率，ns為雷射增益晶體的折射率。種子光源發射出的種子雷射的入射方向與雷射增益晶體的長度方向一致，而雷射增益晶體端面為斜面，斜面的傾斜角即種子雷射與端面的夾角，種子光源入射到雷射增益晶體後發生折射，然後再發生全反射，將雷射增益晶體端面的傾斜角度θ滿足上述情況，能夠保證種子光源入射到雷射增益晶體發生折射後併入射到雷射增益晶體與冷卻液的界面的入射角大於雷射增益晶體與冷卻液的臨界角，即能夠保證雷射能夠在雷射增益晶體中實現全反射走折線路徑，種子雷射不會通過冷卻液，不會受到冷卻液流場的影響產生波前畸變。同時雷射也不用再經過流固界面的傳播，不會在傳播過程中產生耗損，增益的路徑更長，提高了光轉換的效率。同時，通過精確控制雷射增益晶體端面的傾斜角度，不用再去調試種子雷射的擺放位置和入射角度、以及成像模塊的擺放位置和反射角度，更為簡便，同時能夠保證結構更為緊湊。

在上述的雷射放大器中，所述雷射增益晶體位於盒體內的部分採用nd：yag晶體材料製成，所述雷射增益晶體伸出盒體外的兩端部分採用未摻雜的yag晶體材料製成，所述雷射增益晶體為一體式結構。雷射增益晶體位於盒體內的部分採用nd：yag晶體材料製成，能夠吸收泵浦光，主要用於雷射的放大，將雷射增益晶體伸出盒體外的兩端採用未摻雜的yag晶體材料製成，不會吸收泵浦光產生熱量，可以在一定程度上緩解雷射增益晶體的端面形變，防止雷射發生波前畸變，進一步提高了光的轉換效率。

在上述的雷射放大器中，所述成像模塊包括兩塊反射鏡，兩塊反射鏡分別與對應的雷射增益晶體的伸出端相對，兩塊反射鏡之間呈相互垂直設置，兩塊反射鏡能夠將從上一個雷射增益晶體中射出的種子雷射反射到下一個雷射增益晶體中且使得種子雷射的入射方向始終保持與雷射增益晶體的長度方向一致。兩塊反射鏡相互垂直設置且分別與對應的雷射增益晶體的伸出端相對，從而能夠將水平出射的雷射以水平入射的方式反射到下一個雷射增益晶體中，實現全反射，保證雷射不會受到冷卻液流場的影響產生波前畸變，降低了雷射在傳播過程中產生耗損，同時增益的路徑更長，提高了光轉換的效率。

在上述的雷射放大器中，所述成像模塊還包括兩個凸透鏡，兩個凸透鏡平行並排設置且分別與對應的雷射增益晶體相對，所述凸透鏡位於對應的雷射增益晶體與反射鏡之間。由於光在經過雷射增益晶體的折射和全反射過程後，光斑大小會產生變化，經反射鏡反射後不能全部進入雷射增益晶體內，通過在雷射增益晶體和反射鏡之間設置凸透鏡，經過兩個凸透鏡的作用，能夠將從上一個雷射增益晶體出射的雷射以相同大小的光斑重新匯聚反射到下一個雷射增益晶體內，提高了光轉換的效率。

在上述的雷射放大器中，種子雷射從雷射增益晶體端面穿出後傳播到對應凸透鏡中的光學傳播路徑等於一倍的焦距值，種子雷射從上一個凸透鏡中傳播到下一個凸透鏡的光學傳播路徑等於兩倍的焦距值，種子雷射再從下一個凸透鏡傳播到下一個雷射增益晶體的端面中的光學傳播路徑等於一倍的焦距值。通過上述傳播路徑與焦距值之間的比例設置，從而使得從上一個雷射增益晶體中出射的種子雷射能夠在下一個雷射增益晶體的端面處重新匯聚形成1:1成像，進一步減低了雷射在傳播過程中的耗損，提高了光轉換的效率。

在上述的雷射放大器中，所述盒體呈長方體狀，所述泵浦源發射出的泵浦雷射的入射方向與雷射增益晶體的厚度方向一致，所述盒體的側壁上還設有用於冷卻液流入的進液口和用於冷卻液流出的出液口，所述冷卻液在盒體內的流動方向與雷射增益晶體的寬度方向一致，所述進液口與出液口之間通過循環管道連通。上述的結構設計，使得種子光源位於盒體長度方向的一側，各成像模塊位於盒體長度方向的兩側，泵浦光源位於盒體高度方向的兩側，進液口和出液口位於盒體寬度方向的兩側，合理布置空間，結構更為緊湊。而且冷卻液的流動方向與雷射增益晶體的寬度方向一致，冷卻液能夠流過雷射增益晶體的兩個大的側面進行冷卻，冷卻的效果更好。

在上述的雷射放大器中，所述雷射增益晶體在寬度方向的兩側通過固定件固定在盒體的兩側壁上，所述固定件採用不鏽鋼材料製成。雷射增益晶體的兩側通過固定件固定在盒體的兩側壁上，使得各雷射增益晶體之間形成多個流道，而冷卻液的流道方向也是順著流道流動的，冷卻的效果更佳。固定件可以為固定塊和螺栓，也可以為固定座。

在上述的雷射放大器中，所述冷卻液為去離子水或重水或四氯化碳液體。上述液體的折射率均比nd：yag晶體的折射率低，從而使得雷射能夠在雷射增益晶體內產生全反射。

與現有技術相比，本雷射放大器具有以下優點：

1、種子雷射不會通過冷卻液，雷射不會受到冷卻液流場的影響產生波前畸變。

2、同時雷射的傳播全部在雷射增益晶體中進行，也不用再經過流固界面的傳播，不會在傳播過程中產生界面耗損。

3、雷射沿著雷射增益晶體的長度方向傳播並在雷射增益晶體中走全反射折線路徑，增益的路徑更長，進一步提高了光轉換的效率。

4、雷射增益晶體伸出盒體外的兩端採用未摻雜的yag晶體材料製成，可以在一定程度上緩解雷射增益晶體的端面形變，防止雷射發生波前畸變，進一步提高了光的轉換效率。

5、通過精確控制雷射增益晶體端面的傾斜角度，不用再去調試種子光源的擺放位置和入射角度、以及成像模塊的擺放位置和反射角度，更為簡便，同時能夠保證結構更為緊湊。

6、兩個凸透鏡呈等於兩倍焦距值的間距設置，使得從上一個雷射增益晶體中出射的雷射能夠在下一個雷射增益晶體的端面處重新聚集形成1:1成像。

附圖說明

圖1是本雷射放大器的結構圖。

圖2是本雷射放大器另一個方向的結構圖。

圖3是本增益模塊的局部結構圖。

圖中，1、種子光源；2、泵浦源；3、增益模塊；3a、盒體；3a1、進液口；3a2、出液口；3b、雷射增益晶體；4、冷卻液；5、成像模塊；5a、反射鏡；5b、凸透鏡；6、循環管道；7、固定件。

具體實施方式

以下是本發明的具體實施例並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明並不限於這些實施例。

如圖1和2所示，本雷射放大器，包括種子光源1、泵浦源2和增益模塊3。

增益模塊3包括盒體3a，盒體3a呈長方體狀，盒體3a內設有若干呈長板狀且依次平行排列的雷射增益晶體3b，雷射增益晶體3b在寬度方向的兩側通過固定件7固定在盒體3a的兩側壁上，固定件7採用不鏽鋼材料製成。盒體3a內還設有能夠循環流動的冷卻液4，冷卻液4為去離子水或重水或四氯化碳液體，各雷射增益晶體3b均位於冷卻液4中。泵浦源2發射出的泵浦雷射的入射方向與雷射增益晶體3b的厚度方向一致，盒體3a的側壁上還設有用於冷卻液4流入的進液口3a1和用於冷卻液4流出的出液口3a2，冷卻液4在盒體3a內的流動方向與雷射增益晶體3b的寬度方向一致，進液口3a1與出液口3a2之間通過循環管道6連通。種子光源1位於盒體3a的一側且與第一個雷射增益晶體3b的一端面相對，種子光源1發射出的種子雷射的入射方向與所述雷射增益晶體3b的長度方向一致，各部件空間布置合理，結構更為緊湊。

種子光源1與第一個雷射增益晶體3b的一端面相對，雷射增益晶體3b的折射率大於冷卻液4的折射率，種子光源1發射出的種子雷射從雷射增益晶體3b的端面入射且能在雷射增益晶體3b內實現全反射，沿雷射增益晶體3b的長度方向從另一個端面射出，相鄰的雷射增益晶體3b之間還設有能夠將從上一個雷射增益晶體3b中出射的雷射反射到下一個雷射增益晶體3b中實現全反射的成像模塊5，成像模塊5設置在盒體3a外且位於對應相鄰兩雷射增益晶體之間。

具體地說，如圖1和3所示，雷射增益晶體3b的兩端伸出盒體3a外且與盒體3a之間為密封連接，雷射增益晶體3b的兩端面為斜面且兩端面的傾斜方向相反傾斜角度相同。雷射增益晶體3b端面的傾斜角度θ滿足以下公式：0°＜θ0＜θ＜90°，其中，n0為空氣折射率，nl為冷卻液4折射率，ns為雷射增益晶體3b的折射率。雷射增益晶體3b端面的傾斜角度θ滿足上述情況，不用再去調試種子雷射的擺放位置和入射角度、以及成像模塊5的擺放位置和反射角度能夠保證種子光源1入射到雷射增益晶體3b發生折射後併入射到雷射增益晶體3b與冷卻液4的界面的入射角大於雷射增益晶體3b與冷卻液4的臨界角，即能夠保證雷射能夠在雷射增益晶體3b中實現全反射走折線路徑，種子雷射不會通過冷卻液4，不會受到冷卻液4流場的影響產生波前畸變。同時種子雷射也不用再經過流固界面的傳播，不會在傳播過程中產生耗損，增益的路徑更長，提高了光轉換的效率，結構也更為緊湊。

雷射增益晶體3b位於盒體3a內的部分採用nd：yag晶體材料製成，雷射增益晶體3b伸出盒體3a外的兩端部分採用未摻雜的yag晶體材料製成，可以在一定程度上緩解雷射增益晶體3b的端面形變，防止雷射發生波前畸變，進一步提高了光的轉換效率。雷射增益晶體3b為一體式結構。

成像模塊5包括兩塊反射鏡5a和兩個凸透鏡5b。兩塊反射鏡5a分別與對應的雷射增益晶體3b的伸出端相對，兩塊反射鏡5a之間呈相互垂直設置，兩塊反射鏡5a能夠將從上一個雷射增益晶體3b中出射的種子雷射反射到下一個雷射增益晶體3b中且使得種子雷射的入射方向始終保持與雷射增益晶體3b的長度方向一致。兩個凸透鏡5b平行並排設置且分別位於對應的雷射增益晶體3b與反射鏡5a之間，種子雷射從雷射增益晶體3b端面穿出後傳播到對應凸透鏡5b中的光學傳播路徑等於一倍的焦距值，種子雷射從上一個凸透鏡5b中傳播到下一個凸透鏡5b的光學傳播路徑等於兩倍的焦距值，種子雷射再從下一個凸透鏡傳播到下一個雷射增益晶體3b的端面中的光學傳播路徑等於一倍的焦距值。經過兩個反射鏡5a和凸透鏡5b的作用，從而使得從上一個雷射增益晶體3b中出射的雷射能夠在下一個雷射增益晶體3b的端面處重新匯聚形成1:1成像，進一步減低了雷射在傳播過程中的耗損，提高了光轉換的效率。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。