渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器的制造方法

文档序号:9507681阅读:886来源:国知局
渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光放大装置技术领域,具体涉及渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝 石榴石叠片激光放大器。
【背景技术】
[0002] 能源危机是人类发展面临的共同挑战,惯性聚变能源(IFE)是公认的安全、无碳、 可持续发展的洁净能源。惯性聚变能的研究已经超过50年,作为解决人类能源的长久之计 以及创造极端物理条件的方法,具有强烈的吸引力。在激光聚变需求的牵引下,各国先后 建成了一系列大型高功率激光驱动器装置,如美国的国家点火装置(NIF)、法国的兆焦耳装 置(LMJ)以及我国的神光系列装置(SG)等。NIF的建成和国家点火攻关的开展,标志着激 光聚变能源研究进入了一个新的阶段。但当前的这些装置主要基于传统的氙灯栗浦块状钕 玻璃,整体效率偏低,且基本上都是单发装置,每次打靶后都需要几小时的冷却来消除热畸 变,恢复原性能,无法满足未来IFE电站在技术和经济上对高效、重频激光驱动器的需求。 随着二极管阵列的快速发展,二极管栗浦的固体激光器(DPSSL)成为IFE驱动器的一条重 要技术途径。然而,放大自发辐射(ASE)和热效应仍然是制约重频驱动器性能的关键因素, 研究新型的增益介质和放大器结构,采用有效的热管理和ASE抑制技术,是发展重频、高能 高功率激光技术的核心。
[0003] 近年来,得益于高功率二极管阵列的发展,掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)激光材料得 到了广泛的研究。相比钕玻璃,Yb:YAG的热机械性质更加优异;而且,Yb离子的荧光寿命 长,量子效率高,热生成率低,能级结构简单,避免了浓度淬灭、激发态吸收和频率上转换等 过程,更有利于高平均功率运行。尽管常温下Yb:YAG的饱和通量相对较高不利于能量提 取,但冷却到低温可显著提高其受激发射截面,减少下能级的再吸收,同时也可进一步改善 材料的热机械性质。另外,Yb:YAG陶瓷材料的发展将有助于获得高质量、大尺寸的介质。
[0004] 目前,为了验证激光聚变能电站的可行性,基于DPSSL技术美国和欧洲分别提出 了 LIFE、HiPER 计划,并将 Yb:YAG 作为主要的候选材料之一 [A. Bayramian, S. Aceves, T. Anklam et al.,''Compact,Efficient Laser Systems Required for Laser Inertial Fusion Energy,''Fusion Science And Technology 60, 28-48 (2011). J. C. Chanteloup, D. Albach,A. Lucianetti, et al.,"Multi kj level Laser Concepts for HiPER Facility,〃The Sixth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 2010.]。它们还相继提出了叠片和有源镜放大器,并分别采用高压氦气分 布式表面冷却,低温、低气压、静态气体背面传导冷却增益介质移除废热,有效地进行热管 理。此外,Chanteloup等人也考虑在有源镜放大器中沿抽运方向对介质采用渐变掺杂浓 度来优化增益系数,减少横向ASE和增益介质的厚度,避免ASE和热效应的影响[J. -C. Chanteloup, D. Albach, G. Bourdet, et al.,''Impact of Variable Doped Gain Medium on HiPER Multiple kj/~10Hz Diode Pumped Beam Lines Design,"WB6,ASSP,0SA,2009·]。 针对该技术方案,通过水平直接结晶技术,Azrakantsyan等人已经证实渐变掺杂Yb:YAG 单晶的可行性[M.Azrakantsyan,D.Albach,N.Ananyan,et al.,"Yb3+:YAG crystal growth with controlled doping distribution, "Optical Materials Express 2, 20-30(2012). ] 〇
[0005] 另外,采用共烧结陶瓷和液相外延生长技术也可获得渐变掺杂的Yb:YAG材料。然 而,这种方案仍然局限于有源镜结构中,还没有关于渐变掺杂叠片放大器结构的报道。

【发明内容】

[0006] 本发明提供了一种渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器,利 用高功率二极管阵列作为栗浦源,掺镱钇铝石榴石材料中镱离子浓度采用渐变掺杂使整个 放大器小信号增益保持均匀,同时在片与片之间通过高速低温氦气主动冷却介质,高效移 除废热,从而实现激光放大器高效高重复频率运行。其具体的技术方案如下:
[0007] 渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器,其包括增益介质模 块、双色镜模块、耦合透镜模块、栗浦模块,其中:
[0008] 所述的增益介质模块采用组合式薄片渐变掺杂激光增益介质,所述增益介质模块 与激光通光方向正交设置;
[0009] 所述的增益介质模块两侧由近及远依次设置双色镜模块、耦合透镜模块、栗浦模 块;
[0010] 所述双色镜模块包括双色镜一和双色镜二,所述双色镜一和双色镜二以增益介质 模块为中心对称设置;
[0011] 所述耦合透镜模块包括平行排列的透镜组一和透镜组二,所述透镜组一和透镜组 二分别设置于双色镜一和双色镜二外侧,并以增益介质模块为中心对称设置;
[0012] 所述栗浦模块包括平行排列的平面二极管阵列栗浦源一和平面二极管阵列栗浦 源二,分别置于透镜组一和透镜组二外侧,并以增益介质模块为中心对称设置;
[0013] 所述栗浦模块经耦合透镜模块整形传输,通过双色镜模块后对增益介质模块左右 两侧进行栗浦。
[0014] 作为优选方案,所述双色镜一和双色镜二以45度角度倾斜排列。
[0015] 其中,所述的增益介质模块由增益单元和叶片单元组成,其中:
[0016] 所述的增益单元包括多片增益介质,所述多片增益介质由密封窗口密封;
[0017] 所述多片增益介质间隔分立的被安装在多块流体动力学型叶片上,所述的流体动 力学型叶片与叶片之间形成冷却通道,所述的冷却通道分别设有冷却剂的进口和出口。
[0018] 作为优选方案,所述冷却剂为低温高压氦气,温度范围为90~320K,压强范围为 0 ~15atm〇
[0019] 进一步,所述冷却通道分为喷嘴区、冷却区和扩散区,冷却剂经过前部喷嘴区后, 逐渐加速,在冷却区内保持均匀稳定,对增益介质进行冷却,最后经扩散区减速离开增益模 块。
[0020] 作为优选方案,所述增益介质采用镱离子渐变掺杂的掺镱钇铝石榴石晶体或陶瓷 激光片,并相应地由掺铬钇铝石榴石晶体或陶瓷包边材料进行包边,所述的掺镱钇铝石榴 石激光片采用非线性的掺杂浓度由两端向中间逐渐升高;所述的包边材料使用均匀或变化 的掺杂浓度附着在每片激光片的四周。
[0021] 进一步,所述掺镱钇铝石榴石材料口径、片数根据热管理需求和输出能量决定,其 镱离子浓度由准三能级离子栗浦动力学优化计算确定,以使每片增益介质内获得相同的小 信号增益,吸收的栗浦能量以及生成热能也均匀分布。
[0022] 进一步,所述每片增益介质厚度、宽度、铬离子的浓度根据热管理和寄生振荡的抑 制条件优化确定,使包边材料对ASE光线的吸收超过99 %,并且包边与增益介质内的热分 布均匀。
[0023] 进一步,所述的双色镜模块中双色镜一和双色镜二的两面分别都镀有栗浦光增透 膜;靠近所述增益介质模块的内侧面还镀有针对种子激光的高反膜。
[0024] 进一步,所述的栗浦模块中平面二极管阵列栗浦源一和平面二极管阵列栗浦源二 经耦合透镜模块和双色镜模块后栗浦光为完美的超高斯平顶光束,光束强度、填充因子和 发散角相同。
[0025] 本发明的有益效果如下:
[0026] 第一、本发明的增益介质采用薄片激光材料组合结构,合理调整掺杂介质厚度,缩 短了散热距离;介质长宽侧面面积大,增大了散热面积,通过分布式表面冷却后可有效移除 介质内的废热,在介质横向上热分布非常均匀,且能有效避免通光方向上热梯度的形成,从 而消除热效应对光束质量的影响,确保高重复频率下正常运行。
[0027] 第二、采用渐变掺杂掺镱钇铝石榴石材料作为增益介质,钇铝石榴石基质的热传 导率、热光系数和热膨胀系数非常优异,且在低温下会进一步得到改善,便于热管理;渐变 掺杂镱离子能在介质中获得相同的小信号增益g〇,使增益长度积g〇L全部处于放大器设计 的经验极限值内,从而有利于控制ASE,提高增益能力和储能效率,同时还能进一步缩短介 质的总长度,有效限制B积分对种子光束的影响。
[0028] 第三、采用掺铬钇铝石榴石材料作为吸收包边可有效的阻止寄生振荡的产生,避 免储能效率的降低;另外,如果采用浓度变化的四价铬掺杂,还可进一步的缩小激光片的口 径,匀滑介质内的热分布,消除热效应,有利于热管理。
[0029] 第四、采用二极管阵列端面栗浦,相比传统的氙灯栗浦能有效提高栗浦光的吸收 效率,同时减少废热的产生,提高栗浦激光的有效利用率,使放大器结构更加紧凑。
[0030] 第五、采用流体动力学型叶片,叶片的形状可通过有限元方法分析优化模拟,确保 冷却剂在各冷却通道内均匀一致,相对较小的压损便于循环使用。
[0031] 第六、采用氦气作为冷却剂,与其他气体相比,氦气具有更高的热导率、因折射率 波动而引起的散射损耗和光束畸变更小,且能冷却到10K以下,因而非常适合低温冷却增 益介质。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器的结构 示意图。
[0033] 图2是本发明增益介质模块的结构主视图。
[0034] 图3是本发明冷却通道的结构主视图。
[0035] 图4是本发明单片增益介质的结构左视图。
[0036] 图5是本发明实施例中增益介质渐变掺杂浓度和小信号增益沿厚度优化的曲线 图。
[0037] 图中符号说明:
[0038] 1 :种子光注入;2 :种子光输出;3 :增益介质模块;4 :平面二极管阵列栗浦源一; 5 :平面二极管阵列栗浦源二;6 :透镜组一;7 :透镜组二;8 :双色镜一;9 :双色镜二;10~ 11 :掺镱钇铝石榴石激光片;12~13 :掺铬钇铝石榴石包边结构;14~15 :流体动力学型叶 片;16~17 :密封窗口;18 :冷却通道冷却剂进口;19 :冷却通道冷却剂出口;20 :冷却通道 喷嘴区;21 :冷却通道冷却区;22 :冷却通道扩散区。
【具体实施方式】
[0039] 下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述, 显然,所描述的实施
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