CN101399424B

CN101399424B - 一种新型高功率板条激光器系统

Info

Publication number: CN101399424B
Application number: CN2008101564326A
Authority: CN
Inventors: 姚红兵; 张永康; 李国杰; 叶霞
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: CN101399424A

Abstract

本发明涉及一种新型高功率板条激光器系统，所说的高功率板条激光器系统包括激光腔体和级间扩束补偿镜；激光腔体由激光振荡器C₁，预放大器C₂和主放大器C₃构成，激光振荡器、预放大器和主放大器的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，各放置两块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式，激光束经过三次折射进入另一个钕玻璃板条；激光振荡器、预放大器、主放大器之间设置级间扩束补偿镜。该发明具有能改善输出光束质量，获得高功率的激光光束、氙灯工作寿命长、提高激光束的光束质量的优点。

Description

一种新型高功率板条激光器系统

技术领域

本发明涉及激光加工、激光材料表面处理、激光雷达以及光电对抗等领域，特指一种新型高功率(千兆瓦级)板条激光器系统，特别适用于要求满足以下运转条件的激光器系统：高重复频率、高功率、长氙灯寿命、低放大的自发辐射(ASE)、微弱波面畸变的高质量光束。

背景技术

随着激光技术的不断发展，高功率激光器由于具有高效、长寿、体积小、使用与维护方便等优点，得到了越来越广泛的应用。在民用、军用以及空间通信等方面，高功率固体激光器的重复率、脉宽、光束质量等因素都会直接影响到加工的精度和效率。在固体激光器的设计中，激光晶体中热畸变极大地限制了激光器在大功率下高光束质量的能力。传统的高功率固体激光器采用圆棒状增益介质，这种式样的介质在运转期间，径向温度梯度使棒呈现出热透镜效应、应力感生双轴聚焦效应和应力感生双折射效应。这些效应严重地影响着激光器的输出功率和光束质量。1969年美国通用电器公司提出板条激光器的概念，他们使用面抽运的板条状几何结构，通过合理设计，得到比棒状工作物质作为固体激光器更好的光束质量和更高的平均输出功率。然而在高功率抽运下，板条激光器仍然有热透镜效应存在。因此，对板条固体激光器的抽运、冷却方式及激光介质、光学谐振腔还需进行优化设计。

早期板条激光器利用闪光灯抽运，因此大都采用面抽运的结构，这种结构是直接采用水冷来散热的。由于工作物质内温度梯度是一维分布的，只存在垂直于用于水冷的介质大面的方向上(即y方向上)。这种一维的热场分布，不易产生热致双折射从而防止热退偏，但会在竖直方向上产生热透镜效应。为了消除热透镜的影响。通常板条并不做成方形，而是将两个供振荡激光通过的端面切割成绕z轴倾斜的布儒斯特角，并将介质的两个大面也抛光，这样振荡激光在板条晶体内部通过两个大面的全内反射而呈“之”字形传播，使激光在y方向上不同区域的不均匀热影响相互抵消。从而达到减弱甚至消除热透镜效应的目的。但是这种板条增益介质加工时，要求两个大面的平行度和光洁度都很高，这使加工变得困难且机械安装也变得复杂。此外，这两个面之间还容易产生寄生振荡，使激光效率降低。并且采用传统的矩形板条时，类似于圆棒结构，当对激光增益介质板条进行面冷却并达到热平衡状态时，沿抽运方向的温度分布近似地呈抛物线状，同样也会出现类似于圆棒结构的光束质量变差等问题。

LD的发射光谱可与激光工作介质的吸收带重合，所以与闪光灯抽运源相比，它具有体积小、重量轻、效率高、热效应少、机械设计简单等优点，因此利用LD抽运可推动板条固体激光器向更高功率发展。在LD抽运的板条激光器中，为了克服面抽运结构中抽运面和冷却面重合而造成的机械加工方面的困难，一般采取端面抽运方式，在这种结构中，抽运光从垂直于冷却表面和激光传播平面的另一个平面注入，因此和面抽运结构相比，增加了抽运光的吸收长度，提高了抽运光的利用率。另外这种抽运方式可采用水冷热沉的冷却方式，实现抽运面和玲却面分离，简化激光头的设计。同时由于冷却液体不直接接触增益介质，不会造成对板条的污染，整个系统的机械稳定性也有所提高。但是在半导体愁运的板条结构中，常常采用光纤耦合输出的激光从板条的两个小侧面进行抽运，这样受LD耦合进光纤的效率的限制，会降低系统的整体效率。

在高功率激光系统的设计中，聚光腔是一个不可忽略的重要环节。从光源发出的光辐射能量转换到在激光工作物质内对增益有用的激发能量的效率对激光系统的总效率有相当大的影响。激光增益介质中抽运光的分布是三种效应综合的结果：聚光腔的照明特性，介质本身的折射和抽运辐射的非均匀吸收。激活介质中抽运能量的温度分布、增益分布、饱和效应、阈值能量和板条介质的损伤阈值等均与介质内抽运光分布有关。聚光腔除了对闪光灯和激光介质之间提供良好的耦合之外，还决定了激光介质上抽运光的分布，从而影响输出光束质量。现阶段聚光腔主要采用玻璃或金属制造，但这样的聚光腔具有抽运的不均匀性，加上由于大注入带来的高热效应，会导致工作介质的严重热畸变，从而引起效率降低，造成激光输出的不均匀性，影响了激光输出光束的质量，且不利于大功率放大系统。

发明内容

本发明的目的是要克服上述缺点，提供一种新型的高功率板条激光器系统，在尽量减少成本的基础上，获得高重复频率、高功率(千兆瓦级)、低放大的自发辐射(ASE)、微弱波面畸变的高质量方形光斑激光光束，同时，改进抽运方式，延长氙灯寿命，进一步提高本激光器系统的经济价值。

本发明的技术实现方案如下：

一种新型的高功率板条激光器系统，包括激光腔体和级间扩束补偿镜；其特征在于：激光腔体由激光振荡器C₁，预放大器C₂和主放大器C₃构成，激光振荡器、预放大器和主放大器的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，各放置两块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式，激光束经过三次反射进入另一个钕玻璃板条；激光振荡器、预放大器、主放大器之间设置级间扩束补偿镜。

更为具体的方案是：在激光振荡器C₁的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，放置两块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条PA₀₁和PA₀₂，板条外侧分别平行放置由大氙灯构成的抽运源，在钕玻璃激光介质板条的一端设有由三块全反射镜构成的三反射镜倒光系统，第一钕玻璃激光介质板条PA₀₁的另一端设有由全反射镜和隔离器构成的放大的自发辐射能量抑制以及靶面反馈激光隔离系统、由KD^*P普克尔盒和偏振镜构成的调Q系统，第二钕玻璃激光介质板条PA₀₂的另一端设有隔离器和部分透过的耦合输出腔镜，在两钕玻璃激光介质板条之间流通有温度为T₁的冷却水，在第一、第二钕玻璃激光介质板条与抽运源之间流通有温度为T₂的冷却水，并且T₁＜T₂，这样通过第一钕玻璃激光介质板条低温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介质板条的高温一侧，而通过第一钕玻璃激光介质板条高温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介质板条的低温一侧；从激光振荡器C₁的部分透过耦合输出腔镜输出的激光经由柱面透镜构成的级间扩束补偿镜进行光束匹配后进入预放大器C₂中的第一钕玻璃激光介质板条PA₁₁，预放大器C₂的紧抱型陶瓷漫反射腔体中由大氙灯构成的抽运源和钕玻璃激光介质板条的放置方式与激光振荡器C₁完全相同，板条尺寸大于激光振荡器C₁中的相应部分，在钕玻璃激光介质板条的一端设有与激光振荡器C₁中完全相同的三反射镜倒光系统，激光介质的冷却方式也与激光振荡器C₁中的完全相同；从预放大器C₂的第二钕玻璃激光介质板条PA₁₂的另一端输出的激光经全反射镜和级间扩束补偿镜进行光束匹配后进入主放大器C₃中的第一钕玻璃激光介质板条PA₂₁，主放大器C₃的紧抱型陶瓷漫反射腔体中由多个小氙灯构成的抽运源和钕玻璃激光介质板条的放置方式与预放大器C₂完全相同，板条尺寸大于预放大器C₂中的板条，在钕玻璃激光介质板条的一端设有与预放大器C₂中完全相同的三反射镜倒光系统，第二钕玻璃激光介质板条PA₂₂的另一端设有调整最终激光输出光斑大小和形状的柱面扩束镜和会聚透镜，激光介质的冷却方式也与预放大器C₂中的完全相同。

本发明的优点是：

1、使用钕玻璃板条作为激光工作物质；聚光腔采用紧抱型陶瓷漫反射腔。使用钕玻璃作为激光工作物质，首先可以获得光学均匀性良好的大尺度激光工作物质；其次钕玻璃作为激光工作物质工作物质高能态寿命与荧光谱线宽度值大，工作物质高能态上可积累的粒子反转数多，从而可在工作物质高能态上贮存的光能量多，可获得的光放大能量大。采用板条状钕玻璃作为激光工作物质，使得激光工作物质的温度梯度近似一维分布，从而可以避免热致双折射效应。激光器从振荡级到预放大级再到主放大级可以方便地逐级增大板条状钕玻璃的尺寸以及纵横比，增大激光工作物质的散热面，这样可以有效地避免钕玻璃的热炸裂现象；激光器系统振荡级、预放大级、主放大级之间采用柱面透镜扩束补偿，可以降低热透镜效应。聚光腔采用紧抱型陶瓷漫反射腔，漫反射聚光腔利用非几何光学反射成像，把抽运光均匀的反射到激光工作物质上，使激光的质量得到了很大改善，同时，紧抱型陶瓷聚光腔具有结构简单、良好的化学稳定性、耐高温性、尺寸稳定性、光漫反射特性、力学性能、成形性能和成形结构的可控性，可以减小工作介质的热畸变，提高效率，改善输出光束质量，获得高功率的激光光束。

2、激光器系统的充电控制电源采用高频开关型系统，主放大器使用多个小氙灯抽运，避免使用大氙灯；同时氙灯使用预燃内触发方式工作，提高了氙灯工作寿命。

3、采用恒温循环全腔水冷，振荡器、预放大器和主放大器均采用两片材料性质相同的钕玻璃板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式；激光束经过三次反射后，使通过第一钕玻璃激光介质板条低温一侧的光进入第二钕玻璃激光介质板条的高温一侧，通过这样的设计可以使激光束受热效应的影响导致的波面畸变得到修正，从而提高激光束的光束质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是实现本发明设计的示意图。

PA₀₁～PA₂₂：钕玻璃激光介质板条，C₁：激光振荡器，C₂：预放大器，C₃：主放大器，P₁、P₂：大氙灯抽运源，P₃：多个小氙灯抽运源，CA₁：温度为T₁的冷却水，CA₂：温度为T₂的冷却水，M₀：半透半反耦合输出腔镜，M₁～M₁₂：全反射镜，PI₁、PI₂：隔离器，PC：KD^*P普克尔盒，PP：偏振镜，SL₁～SL₃：柱面扩束镜，L：会聚透镜

具体实施方式

下面结合图1详细说明本发明提出的激光器系统的细节和工作情况。

本发明主要包括激光腔体和级间扩束补偿镜，其中激光腔体由激光振荡器C₁，预放大器C₂和主放大器C₃三部分构成，在激光振荡器C₁的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，放置两块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条PA₀₁和PA₀₂，板条PA₀₁和PA0₂外侧分别平行放置由大氙灯构成的抽运源P₁，在钕玻璃激光介质板条PA₀₁和PA₀₂的一端设有由三块全反射镜M₂、M₃、M₄构成的三反射镜倒光系统，第一钕玻璃激光介质板条PA₀₁的另一端设有由全反射镜M₁和隔离器PI₁构成的放大的自发辐射(ASE)能量抑制以及靶面反馈激光隔离系统、由KD^*P普克尔盒PC和偏振镜PP构成的调Q系统，第二钕玻璃激光介质板条PA₀₂的另一端设有隔离器PI₂和部分透过的耦合输出腔镜M₀，在两钕玻璃激光介质板条之间流通有温度为T₁的冷却水CA₁，在第一、第二钕玻璃激光介质板条PA₀₁、PA₀₂与抽运源P₁之间流通有温度为T₂的冷却水CA₂，并且T₁<T₂，这样通过第一钕玻璃激光介质板条PA₀₁低温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介质板条PA₀₂的高温一侧，而通过第一钕玻璃激光介质板条PA₀₂高温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介质板条PA₀₁的低温一侧；从激光振荡器C₁的部分透过耦合输出腔镜M₀输出的激光经由柱面透镜构成的级间扩束补偿镜SL₁进行光束匹配后进入预放大器C₂中的第一钕玻璃激光介质板条PA₁₁，预放大器C₂的紧抱型陶瓷漫反射腔体中由大氙灯构成的抽运源P₂和钕玻璃激光介质板条PA₁₁、PA₁₂的放置方式与激光振荡器C₁完全相同，尺寸大于激光振荡器C₁中的相应部分，在钕玻璃激光介质板条PA₁₁、PA₁₂的一端设有三反射镜倒光系统M₅、M₆、M₇，激光介质的冷却方式也与激光振荡器C₁中的完全相同；从预放大器C₂的第二钕玻璃激光介质板条PA₁₂的另一端输出的激光经全反射镜M₈、M₉和级间扩束补偿镜SL₂进行光束匹配后进入主放大器C₃中的第一钕玻璃激光介质板条PA₂₁，主放大器C₃的紧抱型陶瓷漫反射腔体中由多个小氙灯构成的抽运源P₃和钕玻璃激光介质板条PA₂₁、PA₂₂的放置方式与预放大器C₂完全相同，板条尺寸大于预放大器C₂中的板条PA₁₁、PA₁₂，在钕玻璃激光介质板条的一端PA₂₁、PA₂₂设有三反射镜倒光系统M₁₀、M₁₁、M₁₂，第二钕玻璃激光介质板条PA₂₂的另一端设有调整最终激光输出光斑大小和形状的柱面扩束镜SL₃和会聚透镜L，激光介质的冷却方式也与预放大器C₂中的完全相同。

调Q钕玻璃板条激光振荡器C₁发出的激光经级间匹配的柱面扩束镜SL₁、SL₂依次经过预放大器C₂、主放大器C₃放大后，经过柱面扩束镜SL₃和会聚透镜L后获得所需的激光光束。其间：激光器系统的聚光腔使用紧抱型陶瓷漫反射腔，使激光介质被均匀抽运，从而提高激光器系统的效率，改善输出光束质量，获得高功率的激光光束。激光器系统的冷却采用恒温循环全腔水冷，振荡器C₁、预放大器C₂和主放大器C₃均采用两片尺寸、材料和性能相同的钕玻璃板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式；激光束经过三次反射后，使通过第一钕玻璃激光介质板条低温一侧的光进入第二钕玻璃激光介质板条的高温一侧，通过这样的设计可以使激光束受热效应的影响导致的波面畸变得到修正。激光器系统采用板条状钕玻璃而没有采用通常的棒状钕玻璃作为激光工作物质，可以使得激光工作物质的温度梯度近似一维分布，从而可以避免热致双折射效应。激光器从振荡级C₁到预放大级C₂再到主放大级C₃可以方便地逐级增大板条状钕玻璃的尺寸以及纵横比，增大激光工作物质的散热面，这样可以有效地避免钕玻璃的热炸裂现象；激光器系统振荡级C₁、预放大级C₂、主放大级C₃之间采用柱面透镜SL₁、SL₂扩束补偿，可以降低热透镜效应。考虑到由靶面反馈回的激光，如果经过放大器系统再放大后，会对激光器系统造成巨大的破坏，同时为了有效抑制激光器系统的放大自发辐射(ASE)的形成，在设计的高功率板条激光器系统中加入了隔离器PI₁、PI₂，本系统中使用Cr⁴⁺:YAG可饱和吸收体作为被动隔离器，在配合放大器端面磨斜的条件下，消光比可达10^-2～10^-3。为了提高激光器系统的工作寿命，主放大器C₃的抽运源P₃使用多个小氙灯，避免使用大氙灯，同时氙灯使用预燃内触发方式工作，这样延长了氙灯的工作寿命，进一步提高本激光器系统的经济价值。

在本激光器系统中，如果钕玻璃激光介质板条PA₀₁～PA₂₂的掺杂浓度为3％，调Q振荡器C₁的钕玻璃激光介质板条PA₀₁和PA₀₂尺寸为4×12×150mm，预放大器C₂的钕玻璃激光介质板条PA₁₁、PA₁₂尺寸为5×20×200mm，主放大器C₃的钕玻璃激光介质板条PA₂₁和PA₂₂尺寸为10×60×350mm，这样的设计一方面可以降低各钕玻璃板条单位尺寸上面的热堆积，另一方面又可以使激光能量获得足够大的各级放大。根据以上参数的计算，本激光器系统可以获得不小于40焦耳的能量，单个脉冲的宽度不大于30纳秒，单次触发功率不小于1.2千兆瓦，处理速度达到3600平方厘米/小时，同时，放大自发辐射(ASE)可以控制在1焦耳以内。

Claims

1.一种新型高功率板条激光器系统，包括激光腔体和级间扩束补偿镜；其特征在于：激光腔体由激光振荡器C₁，预放大器C₂和主放大器C₃构成，激光振荡器、预放大器和主放大器的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，各放置两块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式，激光束经过三次反射进入另一个钕玻璃板条；激光振荡器、预放大器、主放大器之间设置级间扩束补偿镜；具体是：

在激光振荡器C₁的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，放置两块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条PA₀₁和PA₀₂，板条外侧分别平行放置由大氙灯构成的抽运源，在钕玻璃激光介质板条的一端设有由三块全反射镜构成的三反射镜倒光系统，第一钕玻璃激光介质板条PA₀₁的另一端设有由全反射镜和隔离器构成的放大的自发辐射能量抑制以及靶面反馈激光隔离系统、由KD^*P普克尔盒和偏振镜构成的调Q系统，第二钕玻璃激光介质板条PA₀₂的另一端设有隔离器和部分透过的耦合输出腔镜，在两钕玻璃激光介质板条之间流通有温度为T₁的冷却水，在第一、第二钕玻璃激光介质板条与抽运源之间流通有温度为T₂的冷却水，并且T₁＜T₂，这样通过第一钕玻璃激光介质板条低温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介质板条的高温一侧，而通过第一钕玻璃激光介质板条高温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介质板条的低温一侧；

从激光振荡器C₁的部分透过耦合输出腔镜输出的激光经由柱面透镜构成的级间扩束补偿镜进行光束匹配后进入预放大器C₂中的第一钕玻璃激光介质板条PA₁₁，预放大器C₂的紧抱型陶瓷漫反射腔体中由大氙灯构成的抽运源和钕玻璃激光介质板条的放置方式与激光振荡器C₁完全相同，板条尺寸大于激光振荡器C₁中的板条尺寸，在钕玻璃激光介质板条的一端设有与激光振荡器C₁中完全相同的三反射镜倒光系统，激光介质的冷却方式与激光振荡器C₁中的完全相同；

从预放大器C₂的第二钕玻璃激光介质板条PA₁₂的另一端输出的激光经全反射镜和级间扩束补偿镜进行光束匹配后进入主放大器C₃中的第一钕玻璃激光介质板条PA₂₁，主放大器C₃的紧抱型陶瓷漫反射腔体中由多个小氙灯构成的抽运源和钕玻璃激光介质板条的放置方式与预放大器C₂完全相同，板条尺寸大于预放大器C₂中的板条，在钕玻璃激光介质板条的一端设有与预放大器C₂中完全相同的三反射镜倒光系统，第二钕玻璃激光介质板条PA₂₂的另一端设有调整最终激光输出光斑大小和形状的柱面扩束镜和会聚透镜，激光介质的冷却方式与预放大器C₂中的完全相同。