CN112821183B - 用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构。增益介质结构包括增益介质区和边缘加热区。增益介质区除通光面外的四个侧面包裹边缘加热区。边缘加热区由至少二层包边材料组成。第一层包边用于实现所述的增益介质的泵浦区的温度场控制，从而对多片式激光放大装置的热效应进行控制；第二层包边，用于完全吸收的自发辐射光线能量，以确保自发辐射光线不会由所述的第二层包边侧面反射再次返回至所述的增益介质内，影响所述的增益介质内的储能。本发明可实现多片式激光放大装置在高重频、大能量、低热致波前畸变、高光束质量激光***中的应用，为搭建重频大能量固体激光放大***提供关键技术支撑。

Description

用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构
技术领域
本发明属于重频大能量固体激光放大技术领域，尤其是应用于多片式激光放大装置的一种低热致波前畸变的增益介质结构。
背景技术
重频大能量激光驱动器是开展高能密度物理与聚变研究的核心基础设施，随着美国NIF装置为代表的巨型激光驱动器的建设完成，物理实验进展的深入，对驱动器设施的需求也从单次大能量***为主逐步向兼顾重频驱动器技术过度。当前，新型高功率超短超强激光装置发展也十分迅速，例如欧洲ELI项目中的高重频拍瓦激光装置(HAPLS)的泵浦源分别是钕玻璃重频激光***(输出70J/3.3Hz)和低温冷却的Yb:YAG激光***(输出107J/10Hz)。
面向高效重频惯性聚变能源(IFE)，目前世界多个国家和地区开展了相应的技术研究路线，主要技术路线为采用激光二极管泵浦，并利用主动冷却方式代替传统的被动冷却方式，尤其是采用片状气冷方式。目前，片状增益介质的泵浦区边缘存在散热过程中引入的不可避免的温度梯度场，温度梯度场会导致增益介质内产生较大的应力分布以及形变分布，进而导致较严重的波前畸变，且该波前畸变补偿难度较大。严重的热光效应是限制激光放大器重频运行的主要因素之一。限制激光放大器性能的另一因素为放大的自发辐射效应(ASE)。增益介质在泵浦过程中不可避免会产生自发辐射，自发辐射光子在增益介质内的传输过程中消耗储能被放大，即为ASE。目前针对多片式激光放大装置中的ASE效应抑制方法主要为在增益介质侧面粘接一层包边材料，用于吸收ASE，以减小其对于储能的影响。该构型下的包边距离泵浦区较远，主要用于吸收ASE，其对热效应抑制作用很小。本发明提出一种用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，以改善增益介质内热效应严重的问题，同时减小增益介质内ASE对储能的影响。
发明内容
本发明旨在解决重频固体激光放大装置热效应严重的问题。基于边缘温度场控制技术，提出一种用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构。该增益介质结构采用至少二层包边包裹增益介质，包边将吸收的ASE能量转化为热能作为对增益介质边缘加热的热源。减小增益介质泵浦区边缘在横向散热过程中造成的温度梯度，进而减小应力分布，当信号激光通过所述的增益介质结构时热效应得到抑制。
为实现上述目的，本发明提供如下解决方案：
本发明一种用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构。所述的增益介质结构包括增益介质以及***的至少两层包边。所述的第一层包边包裹在所述的增益介质除通光面外的其余侧面，第二层包边包裹在所述的第一层包边的外侧面。
所述的增益介质结构为多片式分立结构，片与片之间形成冷却通道。
所述的增益介质结构可通过翼片固定，也可通过其他设计直接安装在激光头***结构体中。
所述的增益介质结构可通过冷却液体或气体高速流经冷却通道的方式，对所述的增益介质结构表面进行冷却。所述的增益介质结构也可采用热导率更高的固体冷却介质通过粘接或键合的形式覆于所述的增益介质结构表面使得热量通过所述的固体冷却介质传导的方式进行冷却。
所述的增益介质为圆形、方形、或其它多边形，但不限于此。所述的第一层包边内侧形状与所述的增益介质形状保持一致。所述的第二层包边内侧形状与所述的第一层包边的外侧形状保持一致，所述的第二层包边的外侧形状可根据实际情况进行设计。
泵浦区位于所述的增益介质的中心区域。泵浦区与所述的增益介质边缘之间的非泵浦区宽度小于或接近于所述的增益介质的厚度。
所述的增益介质吸收泵浦光能量形成粒子数反转，提供激光放大能力。所述的第一层包边用于吸收所述的增益介质内产生的ASE能量并转化为热能，形成对所述的增益介质内的泵浦区的边缘温度场控制的热源，对所述的增益介质的泵浦区边缘进行加热，对所述的增益介质内的热效应进行控制。所述的第二层包边用于吸收剩余的ASE能量，满足对放大的自发辐射光线能量的吸收效率达到99.99％及以上。
所述的第一层包边的宽度以及吸收系数根据边缘温度场控制效果进行优化。所述的第二层包边的宽度以及吸收系数根据ASE的吸收效率进行优化。
所述的第一层包边为固体材料，其折射率大于或等于所述的增益介质；所述的第二层包边为固体或液体材料，其折射率大于或等于所述的第一层包边。
所述的第一层包边的热膨胀系数与所述的增益介质的热膨胀系数接近。
本发明的优点在于：
本发明采用至少二层包边包裹增益介质的增益介质结构，在全部吸收ASE的同时对增益介质的边缘温度场进行控制，减小增益介质泵浦区边缘在横向散热过程中造成的温度梯度，进而减小该区域的应力与形变分布，进行热效应抑制，实现高光束质量激光输出。
附图说明
图1是本发明一种用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构实施例1的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明一种用于多片是激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质实施例1的结构示意图。由图可见，增益介质结构包括增益介质2、第一层包边3、第二层包边4。所述的第一层包边3粘接在在增益介质2除通光面外的其余侧面。所述的第二层包边4粘接在所述的第一层包边3的外侧面。本实施例中增益介质为激光钕玻璃，第一层包边与第二层包边均为吸收玻璃。泵浦区1位于所述的增益介质2的中心区域。泵浦区1与所述的增益介质2边缘之间的非泵浦区宽度小于所述的增益介质2的厚度。所述的第二层包边3的吸收系数比所述的第一层包边4的吸收系数大。所述的第一层包边3和所述的第二层包边4的折射率均与所述的增益介质2匹配，其热膨胀系数均与所述的增益介质2的热膨胀系数接近。所述的增益介质2将吸收的泵浦光部分转化为废热沉积。所述的增益介质2内自发辐射的光子在所述的增益介质2内传输过程中消耗储能被放大，形成ASE。ASE光线传输至所述的第一层包边3内被所述的第一层包边3吸收，ASE光线能量发生衰减。未完全衰减的ASE光线继续传输，进入所述的第二层包边4内，能量继续衰减。所述的第二层包边4可满足对ASE的吸收效率达到99.99及以上，避免由所述的第二层包边4外侧面反射回的未完全衰减的ASE光线再次通过所述的第二层包边4和所述的第一层包边3进入所述的增益介质2内，影响所述的增益介质2内的储能分布。所述的第一层包边3将吸收的ASE光线能量转化为热能，沉积在所述的第一层包边3内，作为对所述的增益介质2的边缘温度场控制的热源。减小所述的增益介质2的泵浦区1边缘在横向散热过程中造成的温度梯度，进而减小所述的增益介质2内的应力分布，减小通过所述的增益介质2的信号激光的波前畸变。建立数值模型进行波前分析，结果表明，采用图1中所述的增益介质结构时，该多片式气冷激光放大装置热效应显著降低。
实施例2，一种用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，包括增益介质区和边缘加热区，边缘加热区由三层包边材料组成，其中，第一层包边为与所述的增益介质相匹配的吸收玻璃，包裹在所述的增益介质除通光面外的其余面；第二层包边为与所述的第一层包边折射率相匹配的染料聚合物吸收剂，包裹在所述的第一层包边的外侧面；第三层为折射率比第二层包边折射率匹配的吸收液，包裹在所述的第二层包边外侧面，吸收液填充在增益介质结构的夹持件内。夹持件除提供吸收液收集作用外，也提供增益介质结构的固定安装作用。

Claims (9)

1.一种用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，包括增益介质区和边缘加热区，其特征在于，边缘加热区由至少二层包边材料组成，第一层包边包裹在所述的增益介质除通光面外的其余面，第二层包边包裹在所述的第一层包边的外侧面；
所述的第一层包边，用于吸收所述的增益介质内自发辐射光线能量，并转化为热能沉积在该层包边内，作为所述的增益介质的热源，从而改变所述的增益介质的泵浦区边缘在散热过程中的温度梯度，实现所述的增益介质的泵浦区的温度场控制，对多片式激光放大装置的热效应进行抑制；
所述的第二层包边，用于吸收未被完全吸收的自发辐射光线能量，以确保入射至包边内的自发辐射光线不会被反射再次返回至所述的增益介质内，影响所述的增益介质内的储能，并作为所述的增益介质的热源，补偿热效应。
2.根据权利要求1所述的用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，其特征在于，所述的增益介质结构沿垂直激光传输方向的径向分为两部分：位于中心的增益介质和***的二层包边。
3.根据权利要求1所述的用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，其特征在于，所述的第一层包边为固体材料；所述的第二层包边为固体材料或液体材料。
4.根据权利要求1所述的用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，其特征在于，所述的增益介质由泵浦光进行泵浦，实现上能级储能，泵浦光区与所述的增益介质边缘之间存在环形间隙，其宽度小于等于所述的增益介质的厚度。
5.根据权利要求1所述的用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，其特征在于，所述的第一层包边材料的宽度和吸收系数根据热管理效率进行优化。
6.根据权利要求1所述的用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，其特征在于，所述的第二层包边材料的宽度和吸收系数根据对自发辐射的吸收效率进行优化，确保99.99％及以上的自发辐射能量被完全吸收。
7.根据权利要求1所述的用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，其特征在于，所述的第一层包边的折射率大于或等于所述的增益介质的折射率。
8.根据权利要求1所述的用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，其特征在于，所述的第二层包边的折射率大于或等于所述的第一层包边的折射率。
9.根据权利要求1所述的用于多片式激光放大装置的低热致波前畸变的增益介质结构，其特征在于，所述的第一层包边的热膨胀系数与所述的增益介质的热膨胀系数接近。
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