专利名称：一种百千瓦级面阵ld阵列的耦合系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于高功率激光器的泵浦耦合领域，具体涉及一种百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统，可以应用于高效高功率激光装置。
背景技术：
无论是惯性约束聚变(ICF),还是未来的惯性聚变能源(IFE)，都需要激光驱动器具有高能或高峰值功率的激光输出，因此对激光驱动器泵浦源输出功率的要求也越来越高。目前，LD点光源的输出功率只有数瓦，LD巴条(bar)的输出功率在100W 200W范围，至少需要将巴条组成百千瓦级甚至千千瓦级的LD面列才能满足激光驱动器的高功率输出。但目前LD面阵的发光强度只有 lkW/cm2，远不能满足增益介质对泵浦的需要，必须用泵浦耦合系统将泵浦光传输至增益介质，并将泵浦强度提高到数千瓦至数十千瓦每平方厘米。目前高功率LD阵列常用的封装形式有几种，在2002年长春理工大学学报上发表的《大功率1064nm LD阵列组侧泵浦YAG固体激光器》文献中，介绍了一种直接将LD阵列内的巴条呈弧形排列进行封装，将所有巴条的发光面都对准到增益介质的中心。这种方法多用于棒状增益介质的侧面泵浦方式，此时的泵浦光不需要专门的耦合系统。做端面泵浦时，需要配合导光管使用，但不方便用透镜对LD发出的泵浦光做整形，将导致耦合系统的效率下降，同时输出口处泵浦光的传输性也将变差。另一种方法是将LD阵列内的所有巴条都封装在一个平面内，但该种封装方式的LD阵列不适合用透镜进行整形，因为百千瓦级的大面阵LD阵列，像差的影响将不可忽略，所以常应用在中小型激光器的泵浦源上。还有一种面阵排列的LD阵列，是将整个阵列分成若干个小面阵LD模块单元，每个LD模块单元由几十个巴条封装而成，对每个LD模块单元分别做整形。于2009年第五届高能二极管泵浦固体激光器峰会上，法国对其LUCIA装置的现状作了名称为《露西亚激光装置现状》的报道(5th Workshop-High Energy Class Diode Pumped Solid State Lasers.Dresden, June 10th-12th 2009)，其中介绍将一系列小面阵LD模块单元在一个平面内排列成一个大面阵，然后采用分段棱镜的方法，将每个LD模块单元发出的激光在快轴平面上向增益介质中心偏折，又因LD模块快轴方向的发光长度与输出口尺寸相当，而无需使用透镜进行聚焦；但是慢轴方向却仅仅利用导光管反射板进行整形，没有采用任何提升耦合效率的措施。
发明内容本实用新型提供一种百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统，以解决大型激光装置中片状增益介质的高能量泵浦耦合问题，降低耦合系统对导光管反射率的依赖。本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统，其特点是，所述的耦合系统包括拟球面排列的LD阵列、正交柱面透镜和导光管；其中LD阵列由数个LD模块单元组成；导光管由独立的机械支撑架支撑；增益介质置于导光管的输出口端，增益介质与导光管之间设置有增益介质的冷却层；冷却层和增益介质设置在独立的激光头内；数个LD模块单元通过螺丝与机械支撑架连接固定，处于导光管的输入口端，LD模块单元以增益介质的几何中心为球心、以导光管的侧棱长为半径，呈拟球面排列；每个LD模块单元的发光面与导光管之间均设置有正交柱面透镜，每个LD模块单元发光面的中心法线与正交柱面透镜的两个柱面法线重合，正交柱面透镜固定设置在金属框中，金属框通过螺丝与LD模块单元连接；所述耦合系统的LD阵列、导光管通过支撑架与底板固定连接。所述的耦合系统中的正交柱面透镜的两条柱面轴线分别与LD模块单元发射激光的快轴和慢轴垂直。所述的LD阵列中的LD模块单元内的巴条，在同一平面内组成面阵。所述的耦合系统中的正交柱面透镜设置在树脂框中。本实用新型充分利用LD快慢轴发散角差异较大的发光特性，通过减少光束在导光管反射板上的反射次数，来进行百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统的设计。这主要是因为导光管反射板的反射率不可能做到100%，光束每在反射板上反射一次就要损失一部分能量。首先，光束快轴和慢轴方向分别采用不同的柱面透镜进行整形，正交柱面透镜的两条柱面轴线分别垂直于LD快轴和慢轴。在出厂前都会利用微透镜对单巴条进行快轴准直，所以LD的快轴发散角一般只有:Γ5°。根据这一特点，选取适合的柱面透镜，使快轴方向的光线从LD发光面发出一直传输到输出口都不需经过导光管的侧板反射。其次，将LD阵列按拟球面进行排列，尽量减小LD发光面法线与导光管反射板的夹角，以减少光线在反射板上的反射次数，甚至不反射，从而降低因反射板反射率而带来的能量损失，提高耦合系统的耦合效率。在排列LD模块时，考虑到LD快慢轴发散角的不同，耦合系统的缩束比在快轴方向是慢轴方向的:Γ4倍。LD阵列中LD模块单元的出光面以增益介质的中心为球心，呈拟球面排列。在预留机械安装位置的前提下，LD模块的排列应该尽可能的紧凑，从而降低耦合系统的缩束比。快轴整形柱面透镜焦距的选择，应该是使LD模块快轴发光刚好充满输出口为佳；慢轴柱面透镜焦距的选择，应该是三维光线追迹下可以令耦合系统具有最佳效率的焦距值。本实用新型的特点是利用LD的发光特性，采用正交柱面透镜对LD的快轴和慢轴分别进行整形，并将小面阵LD模块进行拟球面排列，从而减少LD发出的激光在导光管上的反射，提高耦合系统的耦合效率。减少LD发出的激光与导光管之间的反射次数，还能够令输出口出射的泵浦光与导光管轴线的夹角较小，有利于输出口外泵浦光的传输，能够放宽激光器由于泵浦光的传输性而对增益介质厚度的限制，并为增益介质的热管理留有足够的优化空间。
图I是本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统的结构示意图；图2是本实用新型中正交柱面透镜的结构示意图；图3是本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统的输出口泵浦场分布实测效果图；图4是本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统中的耦合系统效率与导光管表面反射率之间依赖关系的曲线图；[0018]图中，I. LD模块单元 2.正交柱面透镜 3.导光管 4.冷却水层
5.增益介质。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。实施例I图I是本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统的结构示意图，图2是本实用新型中正交柱面透镜的结构示意图。在图I、图2中，本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统包括拟球面排列的LD阵列、正交柱面透镜和导光管3 ;其中LD阵列由数个LD模块单元组成，LD模块单元I是其中的一个；导光管3由独立的机械支撑架支撑；增益介质5置于导光管3的输出口端，增益介质5与导光管3之间设置有增益介质5的冷却层4 ;冷却层4和增益介质5设置在独立的激光头内；数个LD模块单元通过螺丝与机械支撑架连接 固定，处于导光管3的输入口端，LD模块单元以增益介质5的几何中心为球心、以导光管3的侧棱长为半径，呈拟球面排列；每个LD模块单元的发光面与导光管3之间均设置有正交柱面透镜，本实施例中，正交柱面透镜2为其中的一个，每个LD模块单元发光面的中心法线与正交柱面透镜的两个柱面法线重合，正交柱面透镜固定设置在金属框中，金属框通过螺丝与LD模块单元连接；所述耦合系统的LD阵列、导光管3通过支撑架与底板固定连接。如图2所示，本实用新型中正交柱面透镜沿光轴方向的切面为矩形，尺寸与LD模块的面元口径一致，其前后表面呈柱面，两个柱面的轴线相垂直，且分别与LD模块单元发射激光的快轴和慢轴垂直。正交柱面透镜两个柱面焦距的选取标准是快轴整形柱面透镜的焦距要使LD模块发光在快轴方向刚好充满输出口 ；慢轴柱面透镜的焦距是三维光线追迹下可以令耦合系统具有最佳效率的焦距值。本实用新型中的导光管3与增益介质5之间需预留3. 5mm的冷却水层4。由于快轴方向的光束不经过导光管3的侧向反射板反射，所以导光管3只需慢轴方向的反射板。本实用新型中的LD模块单元内的巴条，在同一平面内组成小面阵。LD模块内的巴条数可以根据实际需要自行设计，本实施例中一个LD模块单元内含有2X25个巴条。LD阵列中LD模块单元的出光面以增益介质的中心为球心，呈拟球面排列。在预留机械安装位置的前提下，LD模块的排列应该尽可能的紧凑，以降低耦合系统的缩束比。本实用新型的工作机理是，利用LD快慢轴发散角差异较大的发光特性，通过减少光束在导光管反射板上的反射次数，来进行百千瓦级面阵LD阵列耦合系统的设计。这主要是因为导光管反射板的反射率不可能做到100%，光束每在反射板上反射一次就要损失一部分能量。首先，光束快轴和慢轴方向分别采用不同的柱面透镜进行整形，正交柱面透镜的两条柱面轴线分别垂直于LD快轴和慢轴。LD的快轴在出厂前都会利用微透镜对单巴条进行准直，所以LD的快轴发散角一般只有:Γ5°。根据这一特点，选取适合的柱面透镜，使快轴方向的光线从LD发光面发出一直传输到输出口都不需经过导光管的侧板反射。其次，将LD阵列按拟球面进行排列，尽量减小LD发光面法线与导光管反射板的夹角，以减少光线在反射板上的反射次数，甚至不反射，从而降低因反射板反射率而带来的能量损失，提高耦合系统的耦合效率。在排列LD模块时，考虑到LD快慢轴发散角的不同，耦合系统的缩束比在快轴方向是慢轴方向的3 4倍。图3是本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统的输出口泵浦场分布实测效果图。泵浦光场分布的调制度在慢轴方向为I. 18(max/ave)，快轴方向的调制度为I. 30。本实施例中耦合系统的缩束比高达86:1，实测耦合系统的效率为84. 2%。图4是本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统中的耦合系统效率与导光管表面反射率之间依赖关系的曲线图。结果表明，在该耦合系统中，泵浦光束在导光管反射板上的平均反射次数为O. 75，所以本实用新型的系统效率对金属反射板的反射率的依赖性达到一个较低的水平。实施例2本实施例与实施例I的基本结构相同，不同之处是导光管与增益介质之间预留4mm的冷却水层，正交柱面透镜设置在树脂框中。本实用新型的百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统，能够应用到大中型固体激光装置的设计，降低泵浦耦合系统的耦合效率对导光管反射板反射率的依赖性，解决了百千瓦级大面阵LD阵列的耦合系统的效率低和传输性差问题。
权利要求1.一种百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统，其特征在于所述的耦合系统包括拟球面排列的LD阵列、正交柱面透镜和导光管(3);其中LD阵列由数个LD模块单元组成；导光管(3)由独立的机械支撑架支撑；增益介质(5)置于导光管(3)的输出口端，增益介质(5)与导光管(3)之间设置有增益介质的冷却层(4);冷却层(4)和增益介质(5)设置在独立的激光头内；数个LD模块单元通过螺丝与机械支撑架连接固定，处于导光管(3)的输入口端，LD模块单元以增益介质(5)的几何中心为球心、以导光管(3)的侧棱长为半径，呈拟球面排列；每个LD模块单元的发光面与导光管(3)之间均设置有正交柱面透镜，每个LD模块单元发光面的中心法线与正交柱面透镜的两个柱面法线重合，正交柱面透镜固定设置在金属框中，金属框通过螺丝与LD模块单元连接；所述耦合系统的LD阵列、导光管(3)通过支撑架与底板固定连接。
2.根据权利要求I所述的一种百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统，其特征在于所述的耦合系统中的正交柱面透镜的两条柱面轴线分别与LD模块单元发射激光的快轴和慢轴垂直。
3.根据权利要求I所述的一种百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统，其特征在于所述的LD阵列中的LD模块单元内的巴条，在同一平面内组成面阵。
4.根据权利要求I所述的一种百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统，其特征在于所述的耦合系统中的正交柱面透镜设置在树脂框中。
专利摘要本实用新型提供了一种百千瓦级面阵LD阵列的耦合系统。所述的耦合系统包括拟球面排列的LD阵列、正交柱面透镜以及导光管。LD阵列中LD模块单元的出光面几何中心以增益介质中心为球心，呈拟球面排列。正交柱面透镜的两条柱面轴线分别垂直于LD发光的快轴和慢轴，针对LD发光的发散角在快轴和慢轴方向差异较大的特点，分别选择适合的透镜焦距，对LD发出的光束进行快轴聚焦和慢轴整形。本实用新型能够在最大程度上减少LD模块发射激光在导光管上的反射次数，提高耦合系统的耦合效率。减少LD发出的激光与导光管之间的反射次数，有利于输出口外泵浦光的传输，放宽激光器片状增益介质厚度的限制，并为增益介质的热管理留有足够的优化空间。
文档编号H01S3/0941GK202602081SQ20122021027
公开日2012年12月12日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者王振国, 郑建刚, 段文涛, 蒋新颖, 严雄伟, 张君, 张永亮, 李明中, 景峰, 粟敬钦, 朱启华, 郑奎兴 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心