用于被低温冷却的激光放大器的方法和系统的制作方法
【专利摘要】用于被低温冷却的激光放大器的方法和系统。一种激光放大器系统，包含具有纵向轴的增益介质，以及大体上平行于该纵向轴的多个侧面。该激光放大器系统，还包含具有多个内表面的波导。每一内表面被光学耦合到该增益介质的多个侧面之一。该波导还包含多个外表面。该激光放大器系统，还包含包层，被光学耦合到该波导的外表面。
【专利说明】用于被低温冷却的激光放大器的方法和系统
[0001]交叉参考相关申请
[0002]本申请要求2011年6月13日递交的、标题为“Method and System forCryocooled Laser Amplifier”的美国临时专利申请序号N0.61/496, 481的优先权，在此全文引用该临时专利申请的公开内容，供所有场合参考。
[0003]有关在联邦赞助的研究和开发展下完成的发明的权利声明
[0004]按照用于Lawrence Livermore National Laboratory 工作的美国能源部与Lawrence Livermore National Security, LLC之间的合同号N0.DE-AC52-07NA27344,美国政府在本发明中享有权利。
【背景技术】
[0005]镱掺杂的YAG (Yb = YAG)已经被用作固态激光器增益介质，用于高功率二极管泵激的固态激光器。Yb在940nm上有宽广的18nm宽的吸收带，并在1030nm上产生增益。YbiYAG激光器和放大器，能够在由高功率1064nm的Nd = YAG激光器/放大器服务的一些应用中被使用，而倍频到515nm的频率能够允许在先前由514nm氩离子激光器服务的一些应用中使用。
[0006]尽管在固态激光器和放大器系统的发展中取得了进展，但本领域存在关于固态激光器的改进的方法和系统的需求。
【发明内容】
[0007]本发明一般涉及激光器系统。更具体地说，本发明涉及用于低温冷却的激光放大器的方法和系统，其中增益介质被冷却到预定的温度，同时用于吸收来自增益介质的被放大的自发发射的材料，被操作在比增益介质更高的温度上。只作为例子，本发明已经被应用于有热隔离边缘吸收体的低温冷却的放大器组件。该方法和系统能够被应用于各种其它激光放大器体系结构和激光器系统。
[0008]按照本发明的实施例，激光增益材料被操作在低温温度上，而吸收边缘包层被操作在较高温度上，以降低致冷要求并从而增加系统效率。在一些实施例中，低温冷却的增益介质被利用，其中用于吸收诸如ASE的寄生辐射的边缘包层，则被操作在较热的温度上。热隔离能够取光学波导以及增益介质与边缘包层之间的自由空间耦合的形式。本发明的实施例，可应用于Yb以及其他低温冷却的增益介质，并能够按反射式和透射式放大器两种几何配置被实施。
[0009]按照本发明的实施例，一种激光放大器系统被提供。该激光放大器系统包含增益介质，该增益介质具有纵向轴和大体上平行于该纵向轴的多个侧面。该激光放大器系统还包含波导，该波导具有多个内表面。每一内表面被光学I禹合到该增益介质的多个侧面之一。该波导还具有多个外表面。该激光放大器系统还包含包层，该包层被光学耦合到该波导的外表面。
[0010]按照本发明另一个实施例，一种反射光学放大器被提供。该反射光学放大器包含增益元件，该增益元件有输入/输出侧面和背侧面。该增益元件包含增益介质，该增益介质有宽度、长度和小于该宽度和长度的厚度。该增益元件还包含波导和边缘吸收体，该波导部分地包围该增益介质，该边缘吸收体部分地包围该波导。该反射光学放大器还包含反射元件和冷却元件，该反射元件被布置在靠近该背侧面，该冷却元件被布置在靠近该反射元件。
[0011]按照本发明的特定实施例，一种光学放大器系统被提供。该光学放大器系统，包含沿纵向方向排列的一组放大器单元。每一放大器单元包含增益板条，可操作的用于放大沿纵向方向传播的光，并且沿横向方向和侧向方向产生ASE。该横向方向垂直于纵向方向，而该侧向方向垂直于该纵向方向和该横向方向。每一放大器单兀还包含波导和一组反射器，该波导光学上被耦合到该增益板条的周边部分，该组反射器被光学耦合到该波导，且可操作的用于反射沿该横向方向传播的ASE。每一放大器单元，还包含一组冷却导向器。该组冷却导向器的每一片，被耦合到反射器之一，并可操作的用于引导冷却流体沿横向方向流动。每一放大器单元，另外包含一个或多个吸收边缘包层，被光学耦合到该波导，并可操作的用于吸收沿侧向方向传播的ASE。该光学放大器系统还包含冷却系统，该冷却系统可操作的用于提供沿横向方流动的冷却剂流。
[0012]按照本发明另一个特定的实施例，一种操作激光放大器的方法被提供。该方法包含:提供具有纵向轴、横向轴和侧向轴的增益介质；和泵激该增益介质。该方法还包含:弓丨导光沿该纵向轴通过该增益介质；和在增益介质中放大该光。该方法还包含:冷却该增益介质，使该增益介质的特征在于第一温度；和在增益介质中产生ASE。该ASE沿横向轴和侧向轴传播。此外，该方法包含:引导ASE通过光学上被耦合到该增益介质的波导；和在被光学耦合到该波导的边缘包层中，吸收一部分ASE。该包层的特征在于高于第一温度的第二温度。
[0013]借助本发明，众多优于常用技术的好处被获得。例如，本发明的实施例，提供的脉冲激光器系统，产生大的脉冲能量并操作在高的重复率上(即，高的平均功率)。在一些实施例中，增益介质的冷却，与常用技术相比，改进固有的激光器效率和贮存寿命(storagelifetime)。通过降低用于冷却被放大自发发射吸收体的电功率的量，本发明的实施例提供比常用系统更高的系统效率。一些实施例，从增益介质的紧邻移除吸收边缘包层，从而显著改进系统效率。本发明的这些和其他实施例，以及许多它的优点和特性，结合下文和附图更详细地被描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明作为温度函数的性能系数的倒数；
[0015]图2A按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为Nd掺杂玻璃增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率；
[0016]图2B按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为200K上YbiYAG增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率；
[0017]图2C按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为150K上YbiYAG增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率；
[0018]图2D按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，作为200K和150K上Yb = YAG和Nd:玻璃增益介质的峰值泵激功率函数的激光器系统效率；[0019]图3A是简化示意图，按照本发明实施例，画出有低温冷却的放大器板条配置的端视图；
[0020]图3B是简化示意图，按照本发明实施例，画出通过图3A所示放大器板条配置的横截面；
[0021]图4按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在各种不同配置中，通过波导的传导的热负荷；
[0022]图5是简化横截面示意图，按照本发明实施例，画出锥形的波导；
[0023]图6A是按照本发明一实施例的与主动地冷却的反射镜集成的波导配置的简化横截面图；
[0024]图6B是图6A所示的与主动地冷却的反射镜集成的波导配置的简化端视图；
[0025]图7A是按照本发明实施例的有低温冷却的放大器板条几何配置的简化端视图；
[0026]图7B是图7A所示放大器板条几何配置的简化平面图；
[0027]图7C是按照本发明实施例的有低温冷却和气体成形(shaping)的放大器板条几何配置的简化端视图；
[0028]图8A是按照本发明实施例的有流动挡板的放大器板条几何配置的简化端视图；
[0029]图8B是图8A所示放大器板条几何配置的简化平面图；
[0030]图9是按照本发明另外实施例的波导配置的简化平面图；
[0031]图1OA按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，操作在200K上的Yb = YAG增益介质；
[0032]图1OB按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明在若干冷却配置中，操作在150K上的Yb = YAG增益介质；
[0033]图1OC按照本发明实施例，画出简化的曲线，表明对若干系统配置，作为峰值泵激功率函数的激光器系统效率；和
[0034]图11是简化的流程图，表明按照本发明实施例的操作光学放大器的方法。
【具体实施方式】
[0035]高功率固态激光器，采用被泵激的固态增益介质，以提供光学增益。把这样的激光器按比例放大到更高功率，尤其是脉冲系统中的更高脉冲能量，涉及更大孔径增益介质(即，横跨光轴的更大面积)的使用，以便避开由激光器材料的光学损坏阈值强加的限制。随着孔径大小X的增加，横过光轴传播的光子的光学放大增益G=egX也增加。产生的横向被放大的自发发射(ASE)，产生存储在增益介质中的能量的损耗，并使该系统更易于沿横向方向产生寄生激光。
[0036]按照本发明的实施例，为了抑制增益介质中的寄生光和避免寄生激光，例如，通过使用在ASE波长上有高光学损耗的边缘吸收体，亦称包层或边缘包层，沿横向传播的ASE被防止造成多次通过该增益介质。一些实施例利用包含增益介质边缘表面的处理的结构(如，AR涂层、斜削的或研磨的表面、或诸如此类)。如在贯穿本说明书的更充分的描述，边缘吸收体的折射率通常精密地与增益介质的折射率匹配，以防止向后反射。
[0037]本发明人已经确定，利用低温冷却的Yb掺杂增益介质的常用高能量脉冲激光放大器，如果ASE吸收边缘包层同样被低温冷却，则不能提供优于室温下操作的Nd掺杂增益介质的显著优点。效率一泵激功率权衡(efficiency-pump power tradeoff )对低温冷却的介质更坏，因为与低温下冷却相关联的低效率。按照本发明的实施例，边缘包层与增益介质的热去耦，能使效率-泵激功率权衡显著改进。在此描述的本发明实施例提供的若干设计，获得需要的热去耦，并提供优于常用系统的性能改进。
[0038]当激光器被操作在高平均功率上时，显著的热负荷被沉积在边缘吸收体中。本发明的一些实施例，涉及操作在1053nm波长上并使用Nd掺杂的玻璃增益介质的激光放大器束线(beamline)。作为激光器操作和边缘吸收体中热负荷的例子，要从25 X 25cm2孔径产生6.33kJ的脉冲，IJ的光学种子脉冲，需要四次通过作为一对放大器排列的一连串32个玻璃板条。每一板条Icm厚，光学增益为1.05。在这种增益水平上，板条利用872nm上0.5J/cm2/板条的泵激能量，且ASE导致约294J能量在每一放大器板条的边缘包层中被吸收。当操作在15Hz的脉冲重复率时，这对应于4.4kff的热负荷进入每一板条的边缘吸收体中。如此高的热负荷一般将要求边缘吸收体的主动冷却，这能够例如，使冷的流体流动通过吸收体，以抽出热而实现
[0039]本发明的一些实施例，能根据Yb离子的光学跃迁，使用低温地冷却的增益介质。这样的材料能够提供改进的光学效率(例如，由于它们低的量子数亏损)，并能降低系统成本，因为它们长的激发态寿命O 1ms)，与脉冲系统中较长泵激持续时间兼容，这样降低峰值泵激功率要求并因而二极管泵激的成本。一些关于YAG (钇铝石榴石，Y3Al5O12)晶体或陶瓷基质材料中使用Yb的工作，以及其他关于使用CaF2或倍半氧化物基质的工作，已经完成。一些这些基质，给出与它们有吸引力的热机性质关联的另外的激光器优点。
[0040]本发明人已经确定，与大多数Yb掺杂增益介质关联的基本缺点，是要求低温冷却。在室温下，Yb中产生激光跃迁的准3能级(quas1-3-level)本性，由于较低激光能级的热集居而降低光学效率。为此，非常高的泵激强度被要求，以便在室温下用大多数Yb掺杂的介质获得有效的操作。在实际应用中，一般难于获得这样的泵激强度。然而，在足够低的温度下，本发明人已经确定，较低激光能级的热集居极大地被削弱，因此，Yb表现为4能级系统，且光学效率显著改进。
[0041]从系统观点看来,总的激光器的电转换功率效率(wallplug efficiency),应当包含冷却要求的功率，以及光学泵激要求的功率。因为致冷效率随下降的温度而下降，低温冷却的Yb介质的改进的光学效率，被边缘吸收体冷却的降低的效率偏移。该冷却效率以“性能系数”(COP)表征，该性能系数，是被移除的热除以要求操作该冷却系统的电功率的比值。图1按照本发明一实施例，画出简化的曲线，表明作为温度函数的COP的倒数。如图1所示，COP随下降的冷却温度迅速恶化。图1所示曲线，包含:从若干源以及理想的Carnot制冷机性能(实线)测量的和计算的数据；经验数据的对数拟合(Emmet等人);以及另一个人的数据点的对数拟合(Deri对数拟合)。图右部圆圈内的数据点，不包含在该拟合中。图1所示冷却COP中大的下降，能够显著使低温冷却的激光器系统的整个电转换功率效率恶化，其中边缘吸收体是同样被冷却的。
[0042]常用的圆盘形激光器的几何配置，把边缘包层定位在很接近增益介质。粘接剂薄层(_尺度)可以被采用，以连结这些介质，或者它们可以被扩散粘接在一起。无论哪种情形，边缘包层与增益介质很接近，使两种材料操作在非常相似的温度上，以致每一材料的冷却子系统(如，板条面的氦气和边缘包层的液体)也操作在非常相似的温度上。[0043]本文描述的装置的效率和泵激功率要求，能够被计算以分析激光器的性能。作为例子，计算能够对放大器配置进行，该放大器配置操作在6.33kJ/脉冲、使用25X25cm2孔径、以及利用4遍通过。操作在室温下的Nd:玻璃增益介质(如,可从Schott购得的APG-1),或操作在或者150K或者200K温度上的低温冷却的Yb掺杂YAG增益介质，能够被比较。在一些实施例中，该玻璃板条被制成Icm厚，以避免热冲击问题，而YAG厚度取值范围，在一些实施例中高达2cm，以利用它的改进的热机械性质。在两种情形下，放大器板条的数量、每板条的增益系数、以及泵激持续时间被改变，以建立性能最佳区。基于固定泵激能量的效率下，系统被比较。在本文描述的计算中，泵激功率是指768个放大器束线的系统，每一放大器束线包含2个放大器子模块，它产生每脉冲总共4.9MJ的1.05 μ m波长的激光能量。
[0044]激光器性能用Frantz-Nodvik形式计算,使用由实验上报告的、与温度有关的吸收和发射光谱确定的横截面。计算中的激发态寿命参数，是从文献中报告的实验获得的，而ASE情况，是用类似于文献中报告的方法计算的。
[0045]为了移除放大器板条的体积内产生的热(如，由于量子数亏损产生的热)，气体，诸如5大气压的冷氦气被流过。边缘吸收体中的热，通过使气体或液体(如，冷的碳氟化合物液体)流动通过被包围的区域(如，管道系统)而被移除，该区域被热耦合到该边缘吸收体。该两种冷却剂(如，氦气和碳氟化合物液体)的冷却子系统作为致冷环路被提供，该致冷环路经由热交换器到包含泵或压缩机和被冷却的部件的第二环路提供冷却。用于冷却的电功率，包含泵/压缩机功率(假定为理想值的75%)和电的致冷功率二者，该电的致冷功率作为初级温度(热交换器上)的函数，用拟合到图1所示COP数据的曲线确定。其他模拟参数被概括在表1，该表对各种不同增益介质，提供脉冲激光放大器设计的比较。本发明的实施例不受这些具体增益介质的限制，这些增益介质只为示例性目的被示出。表I出示的Nd:玻璃激光器系统，包含768个放大器束线(1536个放大器)，并提供在1.05 μ m波长上4.9MJ的能量。
[0046]表I
【权利要求】
1.一种激光放大器系统,包括: 增益介质，其特征在于在操作期间的第一温度；和包层，其特征在于在操作期间的大于该第一温度的第二温度。
2.权利要求1的激光放大器系统，其中该第二温度大体上为室温。
3.权利要求1的激光放大器系统，其中该增益介质具有纵向轴和大体上平行于该纵向轴的多个侧面。
4.权利要求1的激光放大器系统，其中该增益介质包括矩形板条，该矩形板条具有大于沿纵向轴测量的厚度的垂直于纵向轴的宽度和长度。
5.权利要求1的激光放大器系统，其中该增益介质包括Yb:YAG或Yb= CaF2中的至少之
O
6.权利要求1的激光放大器系统，还包括: 波导，具有: 多个内表面，每一内表面光学上被耦合到该增益介质的多个侧面之一；和 多个外表面；以及 包层，被光学耦合到该波导的外表面。
7.权利要求6的激光放大器系统，其中该增益介质是可操作的用于放大增益波长上的光。
8.权利要求7的激光放大器系统，其中该波导在增益波长上是大体上透明的。
9.权利要求7的激光放大器系统，其中该包层在增益波长上是吸收的。
10.权利要求5的激光放大器系统，其中该波导是锥形的，使该内表面的特征在于第一表面面积并且该外表面的特征在于小于该第一表面面积的第二表面面积。
11.一种反射光学放大器，包括: 增益元件，具有输入/输出侧面和背侧面，该增益元件包括: 增益介质，具有宽度、长度以及小于该宽度和该长度的厚度； 波导，部分地包围该增益介质；和 边缘吸收体，部分地包围该波导； 反射元件，被布置成靠近该背侧面；以及 冷却元件，被布置成靠近该反射元件。
12.权利要求11的反射光学放大器，其中该增益介质包括镱活性物质。
13.权利要求12的反射光学放大器，其中该增益介质包括YAG或CaF2基质晶体中的至少之一。
14.权利要求11的反射光学放大器，其中该增益介质包括被布置在基质晶体中的活性物质，且该波导包括该基质晶体。
15.权利要求14的反射光学放大器，其中该边缘吸收体包括基质晶体中的吸收物质。
16.权利要求11的反射光学放大器，其中该反射兀件包括电介质堆反射镜。
17.权利要求11的反射光学放大器，其中该冷却元件包括冷却面，该冷却面具有近似等于宽度乘长度的空间尺寸。
18.权利要求11的反射光学放大器，其中该增益介质的特征在于在操作期间的第一温度，而该边缘吸收体的特征在于在操作期间的大于该第一温度的第二温度。
19.权利要求18的反射光学放大器,其中该第二温度大体上为室温。
20.—种光学放大器系统,包括: 一组放大器单兀，沿纵向方向排列，其中每一放大器单兀包括: 增益板条，可操作的用于放大沿纵向方向传播的光，并沿横向方向和侧向方向产生ASE,该横向方向垂直于纵向方向，且该侧向方向垂直于该纵向方向和横向方向； 波导，被光学耦合到该增益板条的周边部分； 一组反射器，被光学耦合到该波导，且可操作的用于反射沿该横向方向传播的ASE; 一组冷却导向器，每一导向器被耦合到反射器之一，并可操作的用于引导沿横向方向流动的冷却流体；和 一个或多个吸收边缘包层，被光学耦合到该波导，并可操作的用于吸收沿侧向方向传播的ASE;以及冷却系统，可操作的用于提供沿横向方向的冷却剂流。
21.权利要求20的光学放大器系统，其中该波导的厚度大体上等于该增益板条的厚度。
22.权利要求20的光学放大器系统，其中该组反射器包括在该ASE波长上的高反射率电介质反射镜。
23.权利要求20的光学放大器系统,其中该增益介质包括镱。
24.权利要求23的光学放大器系统，其中该增益介质包括YAG或CaF2中的至少之一。
25.权利要求20的光学放大器系统，其中沿侧向方向传播的ASE包含从该组反射器反射的ASE。
26.权利要求20的光学放大器系统,其中该该组冷却导向器包括与该波导相同的材料。
27.权利要求20的光学放大器系统,还包括被布置在放大器单兀之间的一个或多个横向流动挡板。
28.权利要求20的光学放大器系统，其中该波导沿横向方向呈锥形。
29.一种操作激光放大器的方法，该方法包括: 提供具有纵向轴、横向轴和侧向轴的增益介质； 泵激该增益介质； 引导光沿该纵向轴通过该增益介质； 在增益介质中放大该光； 冷却该增益介质，使该增益介质的特征在于第一温度； 在增益介质中产生ASE，其中该ASE沿横向轴和侧向轴传播； 引导ASE通过被光学耦合到该增益介质的波导；和 在被光学耦合到该波导的边缘包层中，吸收一部分ASE，其中该包层的特征在于高于第一温度的第二温度。
30.权利要求29的方法，其中该增益介质包括包含镱的增益板条。
31.权利要求29的方法，其中该波导包括光学元件，该光学元件的特征在于在与ASE相关联的波长上的大于90%的透射率。
32.权利要求29的方法，其中该波导沿与横向轴和侧向轴对齐的方向，部分地包围该增益介质。
33.权利要求29的方法，其中该增益介质包括基质材料。
34.权利要求33的方法，其中该波导包括该基质材料。
35.权 利要求29的方法，其中该基质材料包括YAG或CaF2中的至少之一。
36.权利要求35的方法，其中该波导包括YAG或CaF2中的至少之一。
37.权利要求29的方法,其中该第一温度低于室温。
38.权利要求37的方法，其中该第一温度低于或等于200K。
39.权利要求29的方法，其中该第二温度是室温。
【文档编号】H01S3/042GK103650261SQ201280019612
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年6月12日 优先权日:2011年6月13日
【发明者】R·J·德里, A·C·厄尔兰德森, A·J·拜拉米安, R·J·比奇 申请人:劳伦斯利弗摩尔国际安全有限责任公司