[发明专利]激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置和匹配方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置和匹配方法。

背景技术

近年来，一种折射率匹配的直接浸没式冷却的高功率激光技术引起国内外广泛的关注，该技术是将固体激光增益介质浸没在与之折射率相同的循环流动冷却的冷却液中进行直接冷却，可实现高的表面积-体积比以提高散热效率和改善温度均匀性，同时折射率的匹配可以消除固体激光增益介质热应力下产生的面型畸变的影响，同时也降低了对相应固体器件的加工面型精度的要求。该技术有望大幅度改善高功率激光系统的热管理水平，提高热负载能力，因而具有重大的现实意义。在美国国防部先进研究项目局（Defence Advanced Research Projects Agency）开展的高能液体激光区域防御系统（High Energy Liquid Laser Area Defence System）项目中，作为两家竞标公司之一的通用原子能公司的设计方案正是采用这种设计。该设计方案中激光光束通过一系列浸没在循环冷却的折射率匹配冷却液中的固体激光增益介质薄片进行放大。该系统由两个75KW的模块共同组建成一个激光振荡器，实现了最高150KW的输出（Laser containing a distributed gain medium,Michael D.Perry,Paul S.Banks,Jason Zweiback,Robert W.Schleicher,United States Patent:US7,366,211,B2(2008)）。国内也要采用类似设计的报道，该报道中采用折射率匹配冷却液浸没冷却的钕玻璃微球阵列结构，也实现了稳定可靠的激光输出(A neodymium fluid laser:Laser emission in circulating state,Chaoqi Hou,Haitao Guo,Jiangbo She,Xiaoxia Cui,Zebang Qiao,Fei Gao,Min Lu,Wei Wei,Po Peng,Optics&Laser Technology(2012))。而该激光技术的核心关键就是实现折射率的匹配。如果在激光器工作过程中，折射率匹配冷却液与固体激光增益介质之间无法实现良好的折射率匹配，会带来严重的损耗以及波前的畸变。而截至目前，尚无直接回答如何实现激光器工作条件下的折射率匹配的文献报道。

发明内容

本发明的技术解决问题在于提供一种激光器的增益介质与浸没式冷却液的匹配装置和匹配方法，该方法有效地保持了冷却液与固体激光增益介质之间良好的折射率匹配，从而抑制了增益介质和冷却液之间各个界面的反射和折射带来的损耗。实验表明，可将反射/折射损耗降低至小于0.02cm^-1。

本发明技术解决方案如下：

一种激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置,特点在于其构成包括：增益介质腔、增益介质、折射率匹配冷却液、热交换器、循环泵、可调恒温槽、恒温液体和泵浦源，所述的增益介质置于所述的增益介质腔中，该增益介质腔具有折射率匹配冷却液的输入口和输出口，所述的热交换器内的恒温液体经所述的可调恒温槽循环，所述的增益介质腔的输出口经管路依次经所述的循环泵、热交换器内的热交换管路、管路和所述的增益介质腔的输入口构成一封闭的环路，所述的折射率匹配冷却液置于并充满所述的增益介质腔和所述的环路，所述的折射率匹配冷却液在所述的循环泵的驱动下在所述的增益介质腔和热交换器内循环运动。所述的增益介质为片状激光介质、圆柱体状激光介质或其他不规则激光介质。

用于上述的激光器增益介质与浸没式冷却液的匹配装置的折射率匹配冷却液的匹配方法，该方法包括下列步骤：

①选取折射率分别高于和低于所述的激光增益介质的折射率的溶剂混合来配置折射率匹配冷却液，设激光器采用的固体激光增益介质折射率为n_s,，两种溶剂常温下的折射率分别为n₁(n₁＜n_s)，n₂(n₂＞n_s)，要求所选溶剂彼此互溶并不与所接触到的其他材料发生反应，低毒性，低腐蚀性，对泵浦光和输出信号光的吸收系数小于0.01cm^-1；