[发明专利]一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块及激光器

说明书

本发明公开了一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块，包括超声速喷管、固体激光增益介质薄片、第一石英窗口和第二石英窗口；其中使用超声速喷管产生的低温气体，流过固体增益介质薄片的表面实现换热。使用第一石英窗口和第二石英窗口与N块固体增益介质薄片，组成N+1个流道。固体激光增益模块可以采用端面泵浦的方式，也可以采用侧面泵浦的方式。本发明提供的固体激光增益模块具有换热设备结构简单，使用方便等优点。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块及激光器。

背景技术

固体激光的增益介质产生的废热，会严重影响激光系统的输出功率、效率、光束质量和稳定性。发展新型的、更高效率的换热技术，对于高能固体激光具有重要的使用价值。近年以来发展了一种使用深冷气体冷却固体增益介质的新技术，通过增加气体与激光增益介质之间的温差，能够获得较大的换热通量。此外由于气体的热光系数小，冷却气体对激光器的光束质量影响很小。典型的激光系统如欧洲的DiPOLE激光系统，使用温度约150K的氦气直接冷却Yb:YAG薄片，实现了单脉冲能量100J、重复频率10Hz的激光输出。为了获得150KHe气，Dipole系统团队专门研制了一台换热装置，使用液氮对循环的He气进行制冷。该换热装置非常笨重，而且结构复杂。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块，旨在解决现有的气体冷却固体激光器使用的低温氦气设备结构复杂而且笨重的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块，包括超声速喷管、固体激光增益介质薄片、第一石英窗口和第二石英窗口；

所述的固体激光增益介质薄片的尺寸相同，形状为矩形，长度为L，宽度为W，厚度为H，数量为N，且N≥1，第1到N片固体激光增益介质薄片沿着厚度方向等间隔依次排列，且相互平行，间隔为G，第一石英窗口和第二石英窗口分别位于第1片和第N片固体激光增益介质薄片一侧，第一石英窗口位于第一片体激光增益介质薄片的上侧，第二石英窗口位于第N片体激光增益介质薄片的下侧，并且与固体激光增益介质薄片平行，间隔都为G，第一石英窗口、第二石英窗口和N片固体激光增益介质薄片共构成了N+1个流道，流道进口在激光增益介质薄片长度一侧，流道进口为矩形，尺寸为L×G，即矩形的长度等于激光增益介质薄片长度，矩形的宽度等于激光增益介质薄片之间的间距，流道长度为W；共使用N+1个超声速喷管，并且使N+1个超声速喷管的出口与第一石英窗口、第二石英窗口和N片固体激光增益介质薄片共构成的N+1个流道入口对准。

基于以上技术方案，优选的，所述的超声速喷管为单狭缝式喷管，狭缝长度为L，即狭缝长度等于激光增益介质薄片的长度，并且使超声速喷管的出口尺寸略小于流道入口尺寸。

基于以上技术方案，优选的，通过超声速喷管实现的气体流速达到1-5个马赫数，温度降到70K到240K之间，流经固体激光增益介质表面，通过对流换热，将固体激光增益介质产生的废热带走，实现对固体激光增益介质的冷却。

基于以上技术方案，优选的，所述的使用超声速低温气体冷却的固体激光器，所述组成固体激光增益介质薄片的固体激光增益介质为掺杂激活离子的激光晶体、激光陶瓷或者激光玻璃；激活离子为Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Cr²⁺、Fe³⁺、Fe²⁺。

更进一步优选地，所述通过超声速喷管喷出的冷却气体为氦气、氮气、二氧化碳、干燥空气中的一种或其混合气体。

本发明另一方面提供一种固体激光器，所述固体激光器包括上述的固体激光增益模块。

基于以上技术方案，优选的，所述激光器包括泵浦源和沿着泵浦源激光入射方向依次设置的泵浦光整形系统、全反射镜、所述的固体激光增益模块、输出耦合镜。