利用纵向冷却抑制横向激射的发射激光束的装置

摘要

本发明涉及一种利用纵向冷却抑制横向激射的发射激光束的装置，其包括圆柱形固态放大介质(1)，该圆柱形固态放大介质(1)具有荧光波长λ，由连接两个端面S1和S2的表面∑限定并通过两个端面或其中一个进行泵浦，以便成为增益介质。它包括与放大介质(1)在端面之一上接触、热导率为Cr的冷却流体(31)，以及吸收或散射荧光波长的热导率为Ci＜0.3Cr的折射率匹配液体(21)，其与放大介质(1)在其表面∑上接触。

说明书

技术领域

本发明的领域涉及一种固态激光器，更特别的涉及具有短脉冲(纳 秒到飞秒)的激光器，其中每个脉冲具有高能量(大于10J)以及高平 均功率(大于10W)。

背景技术

下面简要回顾一下发射激光束的装置的操作模式。它主要包括放 大介质和泵浦源(pumping sources)，泵浦源将能量注入到放大介质内。 棒状形式的放大介质可以是晶体或者是掺杂玻璃。待放大的激光束随 后借助例如包括反射镜的光学装置一次或多次通过放大棒；在每次通 过期间，它抽取一部分泵浦期间注入的能量，从而在放大棒内被放大。 对于圆柱形的放大棒，泵浦期间积聚的能量通常局限在放大器的由泵 浦光束直径所限定的这部分内。

在激光束放大装置的这种类型构造中，通过光学泵浦在放大棒内 积聚能量的时间与通过待放大的光束抽取能量的时间之间，会发生被 称为横向激射(transverse lasing)的寄生现象。

这种现象是与放大棒内产生的激光子腔相关联，该激光子腔沿着 相对于放大棒纵轴的横向方向的轴，在放大棒周围界面处的折射率变 化实现了该子腔的反射镜功能。当该子腔的振荡条件满足时，也就是 说，当在子腔内的往返路径上存在能量保存时，或者换句话说当横向 增益G补偿子腔的损失P时，就会发生横向激射。

下面，将采用晶体作为放大棒的例子，当然，使用掺杂玻璃来替 代也是可以的。

图1c示出了圆柱形放大晶体1(图1a)的横向光学增益G，该圆 柱形放大晶体1的长度为e，由直径为L的泵浦激光束4通过两个端面 S1和S2进行泵浦。如果线性增益密度由g₀代表，小信号增益g_ps在纵 向O_x方向上等于g₀×e，在垂直于O_x方向的横向上等于g₀×L。通常，L≥e。

由于光学增益G与成比例，满足以下关系：

e^g0.L＞＞e^g0.e

因此，横向的光学增益G要远大于纵向的光学增益G，即待放大 的激光束的方向。

横向激射通过晶体内所储存能量的快速去除来证明，该去除由非 受控的横向模拟发射所引起，以打算被放大的激光束为代价。

在具有高增益和大尺寸(通常，增益g₀为0.88，泵浦直径为70mm) 的固态放大介质的情况下，横向激射的问题更为突出。例如，利用具 有约100J高能量进行泵浦的钛:蓝宝石晶体，阻止了具有甚高功率，通 常为约一个拍瓦(petawatt)的飞秒激光脉冲的产生。

直到现在，用于抑制横向激射的解决方法主要有两种类型：一种 是降低寄生光束的增益，一种是增加寄生光束的损耗。

第一种很少被使用并认为是不合适的，因为问题在于在降低寄生 光束增益的同时会降低主光束的增益。申请人已经提出了一种较好的 解决方法，其是将可获得的泵浦能量进行分割并在不同的时间将其送 入被泵浦材料。这种解决方法已经作为发明主题申请了法国专利申请 No.0413734”Dispositif électronique de suppression du lasage transverse  dans les amplificateurs laser haute énergie”(Electronic device for the  suppression of transverse lasing in high-energy laser amplifiers)。

但是，大部分的解决方法都基于增加寄生振荡的损耗水平。

第一种可能形式是将在连接晶体1的端面S1和S2的表面∑附近 的空气用水代替，这样做的好处是降低界面处的反射系数(折射率从1 变为了1.33，而材料通常具有的折射率介于1.5到1.8之间)并且改进 了晶体中大量热量积聚区域的冷却效果。这种解决方法已经作为申请 主题申请了法国专利申请No.04411815。但是，这种解决方法并不能达 到完全满意，因为界面处的反射系数还是太高，800nm的辐射还可进 一步由机械安装反射并返回到材料内。

目前使用的这些解决方法实际上包括：使用具有与材料的折射率 相同或非常接近的液体来取代水(下面使用术语折射率匹配)，并且对 于这种折射率匹配液体21增加了一种吸收800nm辐射的材料：吸收材 料也是液态(通常为染料)并且与折射率匹配液体混合在一起。这样， 由于折射率匹配液体，垂直于轴的在800nm处被放大的光子不会在与 材料的界面处反射(并因此它们不能第二次通过增益区域并且被进一 步放大)，然后它们被染料吸收。在专利申请FR 2901067中描述的这 种技术在消除基于钛掺杂蓝宝石的激光系统中的横向振荡取得了很好 效果，因为由于泵浦激光的低重复率(至多0.1Hz)，钛掺杂蓝宝石晶 体的热负载已经被限制了(考虑放大效率后，0.1Hz处至多100J的泵 浦产生从6到7W的热负载)，具有不围绕钛-蓝宝石晶体循环的折射 率匹配液体+染料混合物的架构已经优选能够满足要求。

但是，泵浦激光器的技术在过去的几年中已经获得取得实质性的 进展，现在已经能够提供重复频率介于1到5Hz的一百焦。在将来， 接近10Hz也是可能获得的，这将会产生约一千瓦的平均泵浦功率以及 晶体内约600到700瓦的热沉积。

在这个水平上，采用折射率匹配液体+染料混合物进行径向热量移 除(由箭头10表示)不再有效，该混合物的热容要远小于水的热容。 所使用混合物(提供折射率匹配的折射率匹配液体和吸收寄生激光辐 射的染料)的热特性不允许满意的热移除。这是由于折射率匹配液体 是差的热导体，当增加激光的重复频率时，这会导致图1b示出的抛物 线温度曲线，降低Strehl率(其是光束质量系数)以及引起短的热焦距 长度和波前偏离。

一种解决方法是用与晶体表面∑金属接触的冷头(cold finger)代 替折射率匹配液体。这使得降低热效应成为可能，但是当平均功率超 过400w之后并不能到达满意程度。另外，这种低温装置重，昂贵，并 且易于受到振动影响，并不能抑制横向激射。

目前，还存在发射激光束的装置，其包括沿纵轴方向具有泵浦和 热抽取的以固态盘片形式的放大介质，并且包括侧面(表面∑)上的不 同的固态材料，该固态材料能够实现折射率匹配和吸收器的作用；该 材料“焊接”到放大介质上，或者通过分子吸附接触放置。但是，这些 边界或环不是总是在技术上可行的，取决于材料。

因此，仍然需要一种发射激光束的装置，其能够同时满足所有上 述的要求，特别是能够抑制横向激射、冷却以及使用简单。

发明内容

本发明基于纵向冷却，其与抑制横向激射的折射率匹配液体的使 用兼容。

更准确的说，本发明涉及一种发射激光束的装置，其包括圆柱形 固态放大介质，该放大介质具有荧光波长λ，由连接两个端面S1和S2 的表面∑界定，并通过两个端面或其中一个进行泵浦以便成为增益介 质。本发明的主要特征在于它包括在端面之一上与放大介质接触、热 导率为Cr的冷却流体，以及热导率为Ci＜0.3Cr的折射率匹配液体，其 与放大介质在其表面∑上接触，吸收或散射荧光波长。

与径向冷却的情况相比，该装置的一个优点是沿着传播轴Ox的热 梯度(假设材料内的热沉积大致是均匀的)大而垂直于该轴的热梯度 小。因此，热透镜效应大大降低了，波前质量从而得到了改善，并且 几乎与泵浦功率级无关。

另外，与现有技术中将固态环焊接到放大介质上的解决方法相比， 抑制横向激射液体的使用提供了目前为止有利的并且是通用的解决方 法，因为将液体21与所选择的放大介质1相匹配是非常容易的(例如 通过改变染料)。

优选地，与冷却流体接触的放大介质的端面设有在波长λ处反射 的处理，其打算将激光束向着放大介质反射。

当放大介质打算通过两个端面进行泵浦时，波长λ处反射的处理 在泵浦波长处是透明的。

可选地，还包括与其他端面接触的热导率为Cr的冷却流体。

例如，冷却流体为水或氦，放大介质为钛:Sa晶体。

根据一个特定的实施例，它包括冷却流体下游的、用于校正输出 光束相位的元件。

该发射激光束的装置可作为激光振荡器或激光放大器。

附图说明

本发明的其他特点和优点将在下述的详细描述中变得更加明显， 其是在参考附图的基础上以非限制性的例子给出的。其中：

图1已经描述过了，示意性表示根据现有技术的放大激光束的装 置的例子，其配置有用于抑制横向激射和具有径向冷却的装置(图1a)， 作为棒半径r函数的相关温度曲线(图1b)，以及横向增益(图1c)。

图2示意性表示根据本发明的放大激光束的装置的例子，其配置 有用于抑制横向激射和具有纵向冷却的装置(图2a)，以及作为棒半径 r函数的相关温度曲线(图2b)。

所有的附图中，相同的元件使用相同的标记进行表示。

具体实施方式

接下来，具有直径D的圆形端面S1，S2的晶体棒将作为放大介质 1的例子。该设想的晶体既可以是单晶体，也可以是多晶陶瓷。

根据本发明的激放大光束的装置，将参考附图2进行描述，主要 设有：

-装置20，用于抑制寄生横向振荡并被放置为吸收或散射荧光 波长的折射率匹配液体21与晶体1的表面∑相接触，

-装置30，用于循环冷却流体31，定位为冷却流体31与晶体1 的表面S1或S2相接触(图中为表面S2)。

冷却装置30优选被构造为可让泵浦辐射4通过；因此能够通过两 个端面S1和S2对放大介质进行泵浦。

在晶体的整个长度e上，折射率匹配液体21+染料的混合物与晶体 1的表面∑相接触，由此使得能够实现抑制横向振荡的功能。混合物通 过装配有密封件22的机械部件保持与晶体接触，这对于本领域技术人 员来说是已知的。

增加了流体31的独立循环，该流体与晶体1的端面S2接触(优 选为整个端面S2)并移除通过泵浦辐射4在晶体1内产生的热量。冷 却流体31通过机械部件30保持与晶体1接触，该机械部件还配置有 密封件32，使得流体沿着表面S2循环成为可能。这些部件20和30 被设置使得折射率匹配液体21和冷却流体31不会接触。

为了实现热量的移除(用箭头10’表示)基本上沿着纵向(沿着 Ox)，防止任意横向温度梯度以及因此折射率梯度(沿着r)的发生从 而避免在放大介质内形成热透镜，使用了热导率Ci小于冷却流体热导 率Cr的折射率匹配液体，其中Ci＜0.3Cr。

例如，当使用热导率Ci为0.1W/(m.K)的二碘甲烷作为折射率匹配 液体21，以及使用热导率Cr为0.6W/(m.K)的水作为冷却流体31时， 从图2b中可以看到，在Ti:Sa晶体内基本没有形成热透镜。

这种将抑制横向激射功能与冷却功能相分离的措施使得考虑到水 的热常数移除巨大的热量成为可能。当放大介质不是太厚时，热量的 移除将有效得多：优选的，e＜D/2，D为放大介质的直径。另外，与现有 技术中将固态环焊接到放大介质上的解决方法相比，使用液体抑制横 向激射是目前为止最通用的解决方法，这是由于将液体21与所选择的 放大介质1相匹配是容易的。

另外一个巨大的好处是，与径向冷却的情况相比，沿着传播轴Ox 的热梯度(假设材料内的热沉积大致是均匀的)大而垂直于该轴的热 梯度小。因此，热透镜效应大大降低了，波前质量从而得到了改善， 并且几乎与泵浦功率级无关。

在基本构造中，放大介质1通过两个端面S1和S2进行泵浦，这 对于均匀的热沉积是重要的，而激光束通过与冷却流体31接触的放大 介质的端面S2反射。特别的，在第一种分析中假定泵浦光束4可毫无 困难地通过水层，因为它不会被吸收(对于大部分可见光和近红外光 谱来说，水是透明的)，并且即使当通过水的时候会有微小的波前扰动， 这也不会产生什么后果，因为泵浦过程是辐射吸收后的能量转移过程 并且该辐射被吸收得足够快以致不会存在破坏泵浦光束的风险，例如 导致损害放大介质的过大光强。另一方面，在这个基本构造中，待放 大的光束在放大介质-水的界面(表面S2)处被反射，这样，待放大的 光束不必通过水层，而通过水层可破坏波前；为此，放大介质的端面 S2(称为后端面)被处理为对放大介质的荧光波长具有高反射率(通 常R＞98％)，但是对于泵浦光束4的波长具有好的透射率(通常 T＞95％)。

当放大介质1仅通过端面S1进行泵浦时，端面S2对于泵浦光束4 波长的(反射处理的)透光性条件不再是必要的。

材料的端面S2被处理为对待放大的波长具有高反射率的事实会增 加促进纵向寄生振荡(在放大介质的两个端面S1和S2之间)的风险， 因为即使轴向的增益较小，但是由于其抗反射处理，端面S1(称为前 端面)本身必须抑制增益，而已知包括宽波段的必须抵抗激光通量的 双波段抗反射处理(一个波段用于激光，一个波段用于泵浦)对于剩 余反射不会很好地进行。

这就是为什么在第一替换构造中，待放大的光束通过水层并在必 要时可以通过水层下游的、激光束发射路径上的相位校正元件校正其 波前，该相位校正元件是例如设置在晶体外侧的可变形反光镜。

根据第二变形，第二冷却装置增加到放大介质的其他端面上，端 面S1。

无论选择了哪一种构造，水可以被另外一种液体取代，例如乙烯， 乙烯乙二醇，或水+乙烯乙二醇的混合物，或者使用气流(例如氦气) 取代，其最优化以保证良好的热交换。气流特别适合于可替换构造， 因为与通过水层相比，它会导致更小的波前扰动，特别是如果流动混 乱时。

下面将描述一个实示例性施例，使用水作为冷却流体并且使用 Ti:Sa晶体作为放大介质，其具有20cm直径的圆形端面S1和S2。

将使用下面的缩写：

F＝水的流量 单位：l/min

ρ＝水的密度＝1000kg/m³

Cp＝水的热容＝4180J/(kg.℃)

ΔT＝冷却水的温升 单位：℃

V＝水的流速 单位：m/s

S＝水膜的截面积＝a×D，单位：m²

P＝从Ti:Sa中抽取的热功率，单位：W

采用下述公式：

P(W)＝F×(1/60000)×ρ×Cp×ΔT

其中F(l/min)＝V×S×60000

针对：

将要移除的P＝1kW；a＝5mm；D＝20cm；ΔT＝1℃，因此，需要的 流量：F＝14.35l/min，也即0.24m/s(或0.8km/h)。

换句话说，如果使用等于14.4l/min的流速，厚度为5mm的水膜 对具有20cm直径的Ti:Sa的后端面(S2)进行冷却，那么水温仅升高 1℃即可抽取1kW的热量(即2Hz处10PW激光系统的主要放大级)。

这种构造具有如下优点：

-热透镜的消失使得在800nm(＝Ti:Sa的荧光波长)处在不影响 光束传输条件的前提下改变泵浦能量成为可能，

-大于1kW的平均泵浦功率成为可能，

-与水接触的Ti:Sa晶体的端面S2被处理在800nm处反射。因 此，800nm光束不通过水膜，这使得避免波前损失成为可能，

-在没有横向激射的前提下可实现横向增益exp(g0×L)高达 20000，这使得达到10PW(800J泵浦17cm直径上的300J放大输出) 的峰值功率成为可能。

其他可作为放大介质的例子是：Nd:YAG，Nd:YLF，Yb:YAG等。

已经描述了一种放大由振荡器发射的激光束的装置的例子，但是， 根据本发明的装置同样可用于产生激光束的激光振荡器。