一种零热透镜效应的高功率激活反射镜

摘要

本发明涉及一种零热透镜效应的高功率激活反射镜，包括：多组均匀设有开孔的转盘(3)，绕中心的转轴(9)旋转，设置在开孔内，放置激光增益介质(2)的多孔玻璃或陶瓷(4)，与激光增益介质(2)连接的泵浦源(1)，封装在转盘(3)外表面的碳化硅圆板(6)。与现有技术相比，本发明大大降低了高功率激光工作时的热透镜效应，可以获得光束质量更好的高功率激光，该激活反射镜通常用于放大不同频率的脉冲光，因而可以获得高能量的脉冲。

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光器领域，尤其是涉及一种零热透镜效应的高功率激活反 射镜。

背景技术

近些年来，固体激光取得了快速发展。输出功率，光学转换效率以及光束质量 都有很大提高。但是，热效应在一定程度上阻碍了高功率激光器的发展。固体激光 器可以获得很高的输出功率，但是光束质量不好。光纤激光器的光束质量很好，但 是单根光纤的输出能量只是在毫焦数量级。依据激光增益介质形状的不同，大致可 以分为杆状(或光纤)激光，薄片激光和板条激光。虽然形状有所差异，但是基本 原理都差不多。在激光增益介质被泵浦的时候，由于增益介质中存在量子缺陷，介 质中会产生热量。这些热量以热传导，热对流或热辐射的方式从增益介质的表面传 输至周围环境中。由于热流的存在，会产生温度梯度。温度梯度会导致一系列有关 的热效应，比如热透镜效应，热压产生的双折射，热形变等。热效应的存在，会改 变激光光波的波前，从而降低光束质量和光学转换效率。不论我们选取哪种增益介 质，热效应产生的光波波前畸变是无法避免，只能尽可能降低。

中国专利CN104051940A公开了气冷高平均功率复合式激活反射镜结构激光 放大器，包括M个交错相对平行排布的结构相同的双放大模块，每个双放大模块 由矩形框、N块复合式片状增益介质、氦气、激光二极管阵列，N块复合式片状增 益介质具有不同的掺杂浓度和长度，由短到长自矩形框的直边向外同轴依次排布在 矩形框内，各块增益介质长度L和掺杂浓度t的乘积相等，矩形框的上斜框和下斜 框均有流体循环通道，该流体循环通道与所述的N块增益介质相对应的间隔处均 设有冷却循环孔，供氦气在增益介质之间流通。由于该专利中的每个模块里平行放 置的增益介质大小不一，容易产生泵浦不均匀，从而无法有效地提取能量。而且在 放置增益介质的时候没有考虑外力的影响，增益介质边沿和矩形框接触的地方产生 的压力以及增益介质的重力会导致激光波前的畸变。另外，冷却路径过长使得对增 益介质的冷却不均匀，产生横向的温度梯度和增益介质前后面的纵向温度差。横向 温度梯度会导致热透镜效应，纵向温度差会使得增益介质发生热形变。而本专利中 每个模块使用的是很薄的单片圆形增益介质，不会产生泵浦不均匀。增益介质边缘 用环形柔软材料包住，可消除外力。周期性地均匀泵浦和双面均匀冷却可以消除横 向温度梯度和纵向温度差，并且能够充分提取泵浦能量，从而获得光束质量更好的 高功率激光输出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够获得高 能量脉冲、降低高功率激光工作时热透镜效应的零热透镜效应的高功率激活反射 镜。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种零热透镜效应的高功率激活反射镜，包括：

均匀设有开孔的转盘，绕中心的转轴旋转，

设置在开孔内，放置激光增益介质的多孔玻璃或陶瓷，

与激光增益介质连接的泵浦源，

封装在转盘外表面的碳化硅圆板。

所述的泵浦源为均匀泵浦的连续激光二极管，防止激光增益介质由于横向温度 梯度所产生的热透镜效应。泵浦源在水冷板上冷却，温度控制在20℃，采用侧面 泵浦，从二极管中出来的光垂直泵浦激光增益介质。

泵浦源选用的波长依据所选激光增益介质而定。如果是掺杂铥的三价阳离子介 质，一般选择793纳米的激光二极管。如果是掺杂镱的三价阳离子，一般选择940 纳米的激光二极管。泵浦源的功率连续可调。

所述的激光增益介质为圆形薄片增益介质，对泵浦光波长具有高吸收率，激光 增益介质的背面镀有对泵浦光波长具有高反射率的薄膜，激光增益介质的厚度在 0.5毫米左右，直径为2厘米左右，重力可以忽略不计。

所述的转盘直径为120毫米，厚度为0.5毫米。转盘上打了若干个半径为1.1 厘米的小孔，用来放置增益介质和多孔环状玻璃或陶瓷，转盘垂直放置。

所述的多孔玻璃或陶瓷，为环状柔软的材料，套住激光增益介质并嵌入转盘上 的开孔中，内半径为1厘米，外半径为1.1厘米，厚度为0.5毫米，用来套住圆形 薄片并嵌入转盘上半径为1.1厘米的小孔中，这样增益介质所受的外力为零，防止 激光增益介质的形变带来光波前畸变。

所述的多孔玻璃或陶瓷还填充有均匀冷却激光增益介质的氦气。

所述的转轴连接驱动机，驱动转盘周期性转动，通过改变转盘的转速或转动周 期放大不同频率的脉冲激光。

与现有技术相比，本发明大大降低了高功率激光工作时的热透镜效应，可以 获得光束质量更好的高功率激光，该激活反射镜通常用于放大不同频率的脉冲光， 因而可以获得高能量的脉冲。本申请中激光增益介质的横向温度梯度会产生折射率 的变化，从而产生热透镜效应。热透镜效应会将激光聚焦成一个点，对增益介质产 生损害。所以在激光实验中，尤其是高功率激光实验中，热透镜效应必须设法降低 甚至消除。本专利能够很好地解决上述的热透镜效应问题。通过对增益介质周期性 地均匀泵浦和双面均匀冷却，使得增益介质的横向温度梯度近似零，从而热透镜效 应也几乎为零。同时为了消除压力对光束质量产生的影响，选用了重力可以忽略不 计的圆形薄片增益介质以及用来消除增益介质边沿压力的柔软的多孔材料。零热透 镜效应和零外力使得该激光器能够获得光束质量更好的高功率，高脉冲能量激光输 出。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为转盘上单个小孔的结构示意图。

图3为单个转盘的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种零热透镜效应的高功率激活反射镜，其结构如图1所示，包括泵浦源1， 圆形薄片(厚度为0.5毫米左右)激光增益介质2，放置激光增益介质2的转盘3， 柔软的多孔玻璃或陶瓷4，碳化硅圆板6，转轴9等。从信号源8中出来的脉冲信 号光，在X-Z平面内以一定的入射角传输，通过激光增益介质2的多次反射和放 大，最后实现高功率激光输出。

泵浦源1为均匀泵浦的连续激光二极管，防止激光增益介质由于横向温度梯度 所产生的热透镜效应。泵浦源在水冷板上冷却，温度控制在20℃，采用侧面泵浦， 从二极管中出来的光垂直泵浦激光增益介质2。选用的波长依据所选的激光增益介 质2而定。如果是掺杂铥的三价阳离子介质，一般选择793纳米的激光二极管。如 果是掺杂镱的三价阳离子，一般选择940纳米的激光二极管。泵浦源1的功率连续 可调。信号源8是脉冲光，脉宽为几个纳秒。该激活反射镜正常工作的时候，信号 光以一定的入射角，入射第一个转盘。泵浦光则是侧面泵浦，比端面泵浦的结构简 单，而且转换效率更高。通过驱动机7可调节转盘的转动周期，进而可以放大不同 频率的脉冲光。由于该结构由多个转盘组成，入射的脉冲光经转盘的一级一级地不 断放大和反射，最后输出为高能量脉冲。

采用的激光增益介质2为圆形薄片增益介质，对泵浦光波长具有高吸收率，激 光增益介质2的背面镀有对泵浦光波长具有高反射率的薄膜，激光增益介质2的厚 度在0.5毫米左右，直径为2厘米左右，重力可以忽略不计。转盘3的直径为120毫 米，厚度为0.5毫米。在转盘3上打了若干个半径为1.1厘米的小孔，用来放置激 光增益介质2和多孔环状玻璃或陶瓷4，转盘3垂直放置。

多孔玻璃或陶瓷4为环状柔软的材料，套住激光增益介质2并嵌入转盘3上的 开孔中，内半径为1厘米，外半径为1.1厘米，厚度为0.5毫米，用来套住圆形薄 片并嵌入转盘上半径为1.1厘米的小孔中，这样激光增益介质2所受的外力为零， 防止激光增益介质2的形变带来光波前畸变。除此之外，多孔玻璃或陶瓷4内还填 充有均匀冷却激光增益介质2的氦气5。转轴9连接驱动机，驱动转盘3周期性转 动，通过改变转盘3的转速或转动周期放大不同频率的脉冲激光。

图2是转盘上单个小孔的结构示意图，由图中可以看出，圆形薄片状的激光增 益介质2由环状的多孔玻璃或陶瓷4包住，嵌于转盘3上开设的小孔中。

图3是单个转盘激光器的结构图。在转盘3上有很多圆片状的激光增益介质2。 柔软的环状材料用来消除圆片所受的外力。由于转盘3竖直放置，顺时针旋转，较 冷的氦气(He)在下方，此区域为冷却区。转盘的上方为泵浦区域。当泵浦脉冲 和信号脉冲打过来时，最上方的一个圆片处于工作模式，对脉冲光进行放大。当脉 冲通过圆片时，旁边的一个圆片转到该工作位置，准备放大下一个脉冲。而先前的 圆片则经过一段时间的均匀冷却之后，恢复泵浦之前的状态。如此循环往复。