[發(fā)明專利]利用縱向冷卻抑制橫向激射的發(fā)射激光束的裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110462573.2
• 申請日: 2011-12-19
• 公開（公告）號: CN102570251A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: S·布朗利
• 申請（專利權(quán)）人: 泰勒斯公司
• 主分類號: H01S3/042
• 分類號: H01S3/042;H01S3/06
• 代理公司: 北京戈程知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉;王錦陽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的領(lǐng)域涉及一種固態(tài)激光器，更特別的涉及具有短脈沖(納秒到飛秒)的激光器，其中每個脈沖具有高能量(大于10J)以及高平均功率(大于10W)。

背景技術(shù)

下面簡要回顧一下發(fā)射激光束的裝置的操作模式。它主要包括放大介質(zhì)和泵浦源(pumping?sources)，泵浦源將能量注入到放大介質(zhì)內(nèi)。棒狀形式的放大介質(zhì)可以是晶體或者是摻雜玻璃。待放大的激光束隨后借助例如包括反射鏡的光學(xué)裝置一次或多次通過放大棒；在每次通過期間，它抽取一部分泵浦期間注入的能量，從而在放大棒內(nèi)被放大。對于圓柱形的放大棒，泵浦期間積聚的能量通常局限在放大器的由泵浦光束直徑所限定的這部分內(nèi)。

在激光束放大裝置的這種類型構(gòu)造中，通過光學(xué)泵浦在放大棒內(nèi)積聚能量的時間與通過待放大的光束抽取能量的時間之間，會發(fā)生被稱為橫向激射(transverse?lasing)的寄生現(xiàn)象。

這種現(xiàn)象是與放大棒內(nèi)產(chǎn)生的激光子腔相關(guān)聯(lián)，該激光子腔沿著相對于放大棒縱軸的橫向方向的軸，在放大棒周圍界面處的折射率變化實(shí)現(xiàn)了該子腔的反射鏡功能。當(dāng)該子腔的振蕩條件滿足時，也就是說，當(dāng)在子腔內(nèi)的往返路徑上存在能量保存時，或者換句話說當(dāng)橫向增益G補(bǔ)償子腔的損失P時，就會發(fā)生橫向激射。

下面，將采用晶體作為放大棒的例子，當(dāng)然，使用摻雜玻璃來替代也是可以的。

圖1c示出了圓柱形放大晶體1(圖1a)的橫向光學(xué)增益G，該圓柱形放大晶體1的長度為e，由直徑為L的泵浦激光束4通過兩個端面S1和S2進(jìn)行泵浦。如果線性增益密度由g₀代表，小信號增益g_ps在縱向O_x方向上等于g₀×e，在垂直于O_x方向的橫向上等于g₀×L。通常，L≥e。

由于光學(xué)增益G與成比例，滿足以下關(guān)系：

e^g0.L＞＞e^g0.e

因此，橫向的光學(xué)增益G要遠(yuǎn)大于縱向的光學(xué)增益G，即待放大的激光束的方向。

橫向激射通過晶體內(nèi)所儲存能量的快速去除來證明，該去除由非受控的橫向模擬發(fā)射所引起，以打算被放大的激光束為代價。

在具有高增益和大尺寸(通常，增益g₀為0.88，泵浦直徑為70mm)的固態(tài)放大介質(zhì)的情況下，橫向激射的問題更為突出。例如，利用具有約100J高能量進(jìn)行泵浦的鈦:藍(lán)寶石晶體，阻止了具有甚高功率，通常為約一個拍瓦(petawatt)的飛秒激光脈沖的產(chǎn)生。

直到現(xiàn)在，用于抑制橫向激射的解決方法主要有兩種類型：一種是降低寄生光束的增益，一種是增加寄生光束的損耗。

第一種很少被使用并認(rèn)為是不合適的，因?yàn)閱栴}在于在降低寄生光束增益的同時會降低主光束的增益。申請人已經(jīng)提出了一種較好的解決方法，其是將可獲得的泵浦能量進(jìn)行分割并在不同的時間將其送入被泵浦材料。這種解決方法已經(jīng)作為發(fā)明主題申請了法國專利申請No.0413734”Dispositif?électronique?de?suppression?du?lasage?transverse?dans?les?amplificateurs?laser?haute?énergie”(Electronic?device?for?the?suppression?of?transverse?lasing?in?high-energy?laser?amplifiers)。

但是，大部分的解決方法都基于增加寄生振蕩的損耗水平。

第一種可能形式是將在連接晶體1的端面S1和S2的表面∑附近的空氣用水代替，這樣做的好處是降低界面處的反射系數(shù)(折射率從1變?yōu)榱?.33，而材料通常具有的折射率介于1.5到1.8之間)并且改進(jìn)了晶體中大量熱量積聚區(qū)域的冷卻效果。這種解決方法已經(jīng)作為申請主題申請了法國專利申請No.04411815。但是，這種解決方法并不能達(dá)到完全滿意，因?yàn)榻缑嫣幍姆瓷湎禂?shù)還是太高，800nm的輻射還可進(jìn)一步由機(jī)械安裝反射并返回到材料內(nèi)。