一种用于降低热效应的脉冲激光放大器模块及使用方法

技术领域

本发明涉及激光技术及应用领域,尤其是一种用于降低热效应的脉冲激光放大器模块及使用方法。

背景技术

激光技术的快速发展和应用，推动着现代工业及高端装备产业的发展和进步，其中，重频高能脉冲激光技术作为一种先进的激光技术，在激光高端装备制造、空间碎片探测与清理、激光冲击强化、远距离激光测距等领域都极具应用价值。

热效应是制约重频高能脉冲激光器发展和安全运行的一大瓶颈，脉冲激光放大器增益介质受到高功率泵浦光作用会在其内部形成储能，经信号激光提取放大后剩余的储能形成内部热源，在激光放大器增益介质内部带来温度梯度，进而导致热形变、热应力等不良热效应，不仅使激光输出功率和光束质量下降，严重时甚至会导致增益介质炸裂。因此，为保证重频高能激光器获得长寿命高性能激光输出，需要对激光器进行合理的热管理以保证激光器工作在最佳工作温度条件下。传统激光器热管理方案主要包括增益介质几何构型选取和高效冷却装置设计两方面内容，但受限于激光放大器增益介质内部热源性质和外形尺寸限制，使得激光放大器增益介质冷却过程中带来较大的温度梯度，进而导致激光输出性能的恶化。

因此，对于上述问题有必要提出一种用于降低热效应的脉冲激光放大器模块及使用方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于降低热效应的脉冲激光放大器模块及使用方法，以解决上述问题。

一种用于降低热效应的脉冲激光放大器模块，包括激光放大器增益介质、冷却热沉、降热激光振荡器和时序控制开关，所述降热激光振荡器包括调Q开关、第一激光腔镜和第二激光腔镜，所述冷却热沉安装在激光放大器增益介质上，所述调Q开关与所述时序控制开关连接，所述第一激光腔镜发射出的振荡激光穿过调Q开关经过激光放大器增益介质和冷却热沉多次反射后穿入第二激光腔镜。

优选地，所述调Q开关为声光开关。

优选地，所述第一激光腔镜和第二激光腔镜均采用低振荡阈值谐振腔。

优选地，所述冷却热沉与激光放大器增益介质冷却面相连实现激光放大器增益介质的常规表面冷却散热。

优选地，所述冷却热沉材质为热膨胀系数与激光放大器增益介质相近的高导热系数金属材质。

优选地，所述时序控制开关用于控制所述调Q开关和待放大信号激光的时序。

一种用于降低热效应的脉冲激光放大器使用方法，其方法步骤为：

S1、激光放大器增益介质储能最大化时，借助时序控制开关将待放大信号激光导入到激光放大器增益介质内部进行传输放大，此时控制调Q开关处于关闭状态（低Q值），降热激光振荡器不产生振荡激光；

S2、待放大信号激光离开激光放大器增益介质时刻，控制调Q开关处于打开状态（高Q值），降热激光振荡器产生振荡激光，通过输出振荡激光将激光放大器增益介质内部的大部分剩余储能以激光的形式排出，从而有效降低激光放大器增益介质的内部热，进而降低热效应；

S3、当下一个待放大信号激光进入激光放大器增益介质进行传输放大时，重复步骤S1-S2以实现激光器获得高性能激光输出。

与现有技术相比，本发明有益效果：

1、采用降热激光振荡器输出激光的形式排出激光放大器增益介质内部的热量，可有效降低激光放大器增益介质内部的温度梯度，进而提升激光输出性能；

2、采用降热激光振荡器与待放大信号激光离轴光路传输方式，可以产生放大信号激光外的振荡激光，适合辅助激光冲击强化作用等多种应用场景，进一步提高脉冲激光放大器的储能利用率。

3、结构简单、便于操作，可大大提升激光器的应用效能和性能。

附图说明

图1是本发明的用于降低热效应的脉冲激光放大器模块结构示意图；

图2是本发明的待放大信号激光与降热激光振荡器输出振荡激光离轴光路原理图;

图3是本发明放大器模块的时序控制原理图。

图中附图标记：1、激光放大器增益介质；2、冷却热沉；3、降热激光振荡器；301、调Q开关；302、第一激光腔镜；303、第二激光腔镜；4、时序控制开关。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指 示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二 ”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1并结合图2和图3所示，一种用于降低热效应的脉冲激光放大器模块，包括激光放大器增益介质1、冷却热沉2、降热激光振荡器3和时序控制开关4，所述降热激光振荡器3包括调Q开关301、第一激光腔镜302和第二激光腔镜303，所述冷却热沉2安装在激光放大器增益介质1上，所述调Q开关301与所述时序控制开关4连接，所述第一激光腔镜301发射出的振荡激光穿过调Q开关301经过激光放大器增益介质1和冷却热沉2多次反射后穿入第二激光腔镜303。所述激光放大器增益介质1形成激光振荡器，其产生的振荡激光与待放大信号激光离轴传输。

进一步的，所述调Q开关301为声光开关。

进一步的，所述第一激光腔镜302和第二激光腔镜303均采用低振荡阈值谐振腔。

进一步的，所述冷却热沉2与激光放大器增益介质1冷却面相连实现激光放大器增益介质的常规表面冷却散热。

进一步的，所述冷却热沉2材质为热膨胀系数与激光放大器增益介质1相近的高导热系数金属材质，以降低激光放大器增益介质1的热效应。

进一步的，所述时序控制开关4用于控制所述调Q开关301和待放大信号激光的时序，保证待放大信号激光在激光放大器增益介质1内部传输放大时，调Q开关301处于关断状态（低Q值），此时降热激光振荡器3不产生振荡激光；待放大信号激光经所述的激光放大器增益介质1传输放大输出时刻，及时将所述的调Q开关301调整到打开状态（高Q值），使得激光放大器增益介质1内部剩余的储能以振荡激光的形式导出。

一种用于降低热效应的脉冲激光放大器使用方法，其方法步骤为：

S1、激光放大器增益介质1储能最大化时，借助时序控制开关4将待放大信号激光导入到激光放大器增益介质1内部进行传输放大，此时控制调Q开关301处于关闭状态（低Q值），降热激光振荡器3不产生振荡激光；

S2、待放大信号激光离开激光放大器增益介质1时刻，控制调Q开关301处于打开状态（高Q值），降热激光振荡器3产生振荡激光，通过输出振荡激光将激光放大器增益介质1内部的大部分剩余储能以激光的形式排出，从而有效降低激光放大器增益介质1的内部热，进而降低热效应；

S3、当下一个待放大信号激光进入激光放大器增益介质1进行传输放大时，重复步骤S1-S2以实现激光器获得高性能激光输出。

与现有技术相比，本发明有益效果：

1、采用降热激光振荡器3输出激光的形式排出激光放大器增益介质1内部的热量，可有效降低激光放大器增益介质1内部的温度梯度，进而提升激光输出性能；

2、采用降热激光振荡器3与待放大信号激光离轴光路传输方式，可以产生放大信号激光外的振荡激光，适合辅助激光冲击强化作用等多种应用场景，进一步提高脉冲激光放大器的储能利用率。

3、结构简单、便于操作，可大大提升激光器的应用效能和性能。

激光放大器增益介质1为Nd:YAG片状晶体，外形尺寸50mm×40mm×8mm，信号激光在其大面以15度角度传输入射；冷却热沉2为钨铜材质，通过金锡焊实现与激光放大器增益介质无应力焊接，焊接区域50mm×40mm；调Q开关301包括声光调制器和偏振器；激光腔镜302为低腔损耗光学腔镜，尺寸40mm×40mm；时序控制开关4为信号发生器。

实验验证与应用研究表明，本发明可有效降低脉冲激光放大器的激光器的热效应，利于实现激光器高性能激光输出，很好的拓宽了该类型激光器的应用场景。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。