CN105591278B - 高功率全固态激光多波长光谱合成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高功率全固态激光多波长光谱合成装置，包括：至少两台具有不同激光增益介质的高功率子激光器、多波长光谱合成系统，多光谱合成反馈控制系统；所述高功率子激光器中，至少有两台具有不同的激光增益介质，可输出不同波长激光，组成多波长子激光束，所述多波长子激光束经过多波长光谱合成系统进行合束，多光谱合成反馈控制系统为合成装置提供反馈式控制，实时补偿高功率条件下，多波长光谱合成系统热效应引起的多波长激光束合束后光束离散、光束质量下降。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光器领域，尤其涉及高功率全固态激光器光束合成装置。
背景技术
高功率全固态激光器(DPL)在先进制造、激光医疗、前沿科学和国家安全等领域有着极为广阔的应用前景。然而，在获得高平均功率全固态激光输出的同时，保持高光束质及稳定性等其它高性能参数运转是激光技术研究领域的热点也是难点。目前实现10kW级以上高功率全固态激光输出的方案主要有：单台激光器直接振荡或主振放大技术、以及光束合成技术。
对于单台固体激光器，随着激光功率的不断提高，由于受到内部物理因素以及结构因素的限制(如热效应、非线性效应、损伤阈值等)，使得输出激光的光束质量非线性下降，因此单台激光器难以获得100kW级以上的高光束质量激光输出。多光束合成技术将多束光合成为一束，有效降低每路子激光的热载荷，克服了每路子激光由于热效应引起的光束质量恶化，可以在保持光束质量的同时进一步提高输出光束的功率，实现亮度的提高，为解决上述难题提供了一条有效途径，是实现全固态高功率激光器高功率、高光束质量和高转换效率(“三高”)的一种重要技术手段，受到国际科学界广泛的兴趣，为高功率激光技术研究的一个热点方向。一般地，光束合成技术分为相干合成技术和非相干合成技术。
相干合成技术是指在各路子光束在波长、偏振方向和相位一致的条件下，所有子光束在空间某处相干叠加，从而提高中心光斑亮度。在理想条件下，N束功率相同的子激光相干合成，功率增加N倍，亮度提高N倍。但在实际应用过程中，多光束相干合成存在许多技术问题：相干合成的合成光斑存在较多旁瓣，降低了光束质量与亮度。
非相干合成技术是指多束非相干光在近场或远场简单地空间叠加，从而获得高输出功率。相比于相干合成技术，非相干合成技术无需对各路子激光器的频率、偏振和相位进行严格控制，因此结构简单、系统稳定，实际应用中相对容易实现，近年来也成为光束合成技术研究的热点之一。
常用的非相干合成技术主要有并偏振合成、并束合成、时序合成和光谱合成。偏振合成对特定偏振态的多束线偏光进行合成，光束合成数量受到一定的限制，并且高功率条件下激光器保偏难以实现，因此偏振合成技术在高功率激光合成实际应用较少。并束合成是将多路激光器简单地在空间并排排列，各激光器之间没有空间的干涉效应，只是能量上的一种简单叠加，并且光束质量随着组束路数的增加会急剧下降，不利于实际应用。
时序合成利用脉冲激光时间特性，将多束脉冲激光合为一束，脉冲合成器件精准控制为该技术面临很大的巨大挑战，为100kW级高功率全固态激光技术的重要发展方向。
光谱合成(又称为波长合成)是将一系列波长相近且略有不同的子激光按照一定的分布，经过色散元件(如棱镜或光栅)色散后空间指向一致，从而实现多束子激光合成。在理想条件下，光谱合成的总输出功率是单路激光器的N倍，光束质量与子激光器相当，为100kW级高功率全固态激光技术具有潜力的发展方向。
发明内容
(一)要解决的技术问题
由于色散元件限制，现有高功率光谱合成技术存在以下两个问题：
1)色散元件的频谱范围有限，为了获得较多路数的激光合成，各路子激光只能保持微量的波长差，固体激光波长由能级决定，多个小波长差的高功率(10kW以上)单台固体激光困难；
2)光栅在高功率激光照射下会由于热效应导致光栅形变及损伤，影响合成光束的光束质量。
这使得现有光谱合成难于实现100kW级高功率全固态激光技术。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种高功率全固态激光多波长光谱合成装置，包括：
至少两台具有不同激光增益介质的高功率子激光器、多波长光谱合成系统，多光谱合成反馈控制系统；
所述高功率子激光器中，至少有两台具有不同的激光增益介质，可输出不同波长激光，组成多波长子激光束，所述多波长子激光束经过多波长光谱合成系统进行合束，多光谱合成反馈控制系统为合成装置提供反馈式控制，实时补偿高功率条件下，多波长光谱合成系统热效应引起的多波长激光束合束后光束离散、光束质量下降。
进一步地，所述高功率子激光器可以为：
至少一台Nd:YAG晶体高功率子激光器、至少一台Yb:YAG晶体高功率子激光器；所述Nd:YAG晶体与所述Yb:YAG晶体为不同激光增益介质，输出不同激光波长，组成多波长激光器；当所述Yb:YAG高功率子激光器数量大于一台时，子激光器输出波长不同，波长位于1030nm-1080nm；
或者，
至少一台Nd:YAG晶体高功率子激光器、至少一台Nd:YAG陶瓷高功率子激光器组合而成；由于Nd:YAG晶体与Nd:YAG陶瓷激光增益介质结构不同，子激光器输出功率数千瓦及以上功率时，Nd:YAG晶体高功率子激光器与Nd:YAG陶瓷高功率子激光器的激光增益介质最高温度差可达数十至数百摄氏度，对于Nd:YAG激光增益介质而言，波长随温度变化率为0.004nm/℃，因此相同掺杂浓度的Nd:YAG晶体高功率子激光器与Nd:YAG陶瓷高功率子激光器波长差0.4nm-1nm，从而组成多波长激光器；
或者，
至少一台Nd:YAG晶体高功率子激光器、至少一台高掺杂掺杂(大于1at％)Nd:YAG陶瓷高功率子激光器；由于高掺杂掺杂条件下，Nd:YAG陶瓷材料辐射光谱展宽，可精选出与Nd:YAG晶体波长不同的激光，从而组成多波长激光器；
进一步地，所述多波长光谱合成系统为：
光栅或者光学镜片；
进一步地，所述多光谱合成反馈控制系统为：
由激光波前探测器、反馈系统、波长控制系统、以及波长调控器件组成；激光波前探测器实时监测合束后激光的波前信息，所述波前信息经反馈系统传输至波长控制系统，波长控制系统经数据分析后对子激光器的波长调控器件进行反馈式控制，改变子激光器的输出波长，从而校正热效应导致的光束离散及光束质量恶化；
进一步地，所述波长调控器件为：标准具。
(三)有益效果
可见，本发明提供的高功率全固态激光多波长光谱合成装置，采用具有不同激光材料的激光器实现多波长光谱合成，可实现高效稳定光谱合成，该光谱合成技术可降低现有光谱合成技术对子激光器光谱的要求，同时通过反馈式控制子激光器的波长，实时校正合束系统热效应导致的光束离散及光束质量恶化，实现满足应用需求的100kW级高功率全固态激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置的整体结构示意图；
图2是本发明的100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置的高功率子激光器整体结构示意图；
图3是本发明的100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置中高功率子激光器的振荡器整体结构示意图；
图4是本发明的实施例1提供的100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置整体结构示意图；
图5是本发明的实施例2提供的100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置整体结构示意图；
图6是本发明的实施例3提供的100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置整体结构示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1与图3，本发明的100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置，包括：高功率子激光器1-1、1-2，由激光偏折器件2-1与合束器件2-2构成的多波长光谱合成系统，由分光镜3-1、激光波前探测器3-2、反馈系统3-3、波长控制系统3-4以及波长调控器件1-08组成的多光谱合成反馈控制系统；其中，所述高功率子激光器，可输出不同波长激光，组成多波长子激光束，所述多波长子激光束经过多波长光谱合成系统进行合束，多光谱合成反馈控制系统为合成装置提供反馈式控制，实时补偿高功率条件下，多波长光谱合成系统热效应引起的多波长激光束合束后光束离散、光束质量下降。在图1中，实线表示光路，虚线表示多光谱合成反馈控制系统3对激光器中的其他部件的控制关系。
下面对高功率子激光器中的基本部件做进一步的说明。
参考图2，所述高功率子激光器进一步包括：激光振荡器1-01以及激光放大器1-02；其中激光振荡器1-01产生高光束质量、窄线宽的种子激光，该种子激光经激光放大器1-02进行功率放大。在一个实施例中，参见图3，所述激光振荡器1-01可进一步包括激光谐振腔腔镜1-03、1-04、1-05、1-06组成的激光谐振腔、激光增益介质1-07，以及波长调控器件1-08，所述激光增益介质1-07置于所述激光谐振腔内，在泵浦条件下，形成激光振荡；所述波长调控器件1-08置于所述激光谐振腔内，调控输出波长；所述激光放大器可进一步包括：激光模式控制系统1-09、功率放大模块1-10。所述激光模式控制系统1-09用于对种子激光的模式进行控制及优化；其中，本申请中所提到的激光的模式是指激光能量的空间分布方式。所述功率放大模块1-10至少有一个，用于对模式优化后的种子激光进行功率放大。
在下面的实施例中会对本发明的100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置做进一步的描述。
实施例1
本实施例提供一种100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置，采用一台Nd:YAG晶体1064nm高功率子激光器1-1与一台Yb:YAG晶体1030nm高功率子激光器1-2双波长光谱合成，获得100kW级高功率全固态激光输出。
本实施例如图2和图3所示，两台激光振荡器1-01为侧面泵浦双棒串接四镜环形腔激光器：
Nd:YAG晶体1064nm高功率子激光器的激光振荡器1-01中具有1064nm标准具作为波长调控器件1-08，其厚度为5mm，两端面对1064nm光反射率为60％；Yb:YAG晶体1030nm高功率子激光器的激光振荡器1-01中具有1030nm标准具作为波长调控器件1-08，其厚度为8mm，两端面对1030nm光反射率为40％；
采用侧面泵浦双棒串接四镜环形腔Nd:YAG晶体1064nm高功率子激光器的1064nm激光振荡器1-01的具体结构如图3所示：激光谐振腔包括：三个10°1064nm高反镜1-03，1-04，以及1-05，偏振片1-06。激光增益介质1-07为圆棒状Nd:YAG晶体，Nd离子掺杂浓度为1at.％，晶体棒直径为3mm，长度为80mm，晶体双端面镀有1064nm激光增透膜；两激光增益介质间具有90°旋光晶体1-11，用于补偿热效应。激光谐振腔内还具有法拉第旋光器1-12与半波片1-13，用于实现单向运转。
采用侧面泵浦双棒串接四镜环形腔Yb:YAG晶体高功率子激光器的1030nm基频激光振荡器1-01的具体结构与前述采用侧面泵浦双棒串接四镜环形腔Nd:YAG晶体高功率子激光器的1064nm基频激光振荡器1-01的结构相类似，激光谐振腔包括：三个10°1030nm高反镜1-03，1-04，以及1-05，偏振片1-06。激光增益介质1-07为圆棒状Yb:YAG晶体，Yb离子掺杂浓度为1at.％，晶体棒直径为3mm，长度为80mm，晶体双端面镀有1030nm激光增透膜；两激光增益介质间具有90°旋光晶体1-11，用于补偿热效应。激光谐振腔内还具有法拉第旋光器1-12与半波片1-13，用于实现单向运转。
1064nm种子激光通过1064nm激光模式控制系统1-09，经行模式控制，使其与1064nm功率放大模块1-10模式匹配，然后利用1064nm功率放大模块1-10进行激光功率放大，将激光功率放大至60kW。
1030nm种子激光通过1030nm激光模式控制系统1-09，经行模式控制，使其与1030nm功率放大模块1-10模式匹配，然后利用1030nm功率放大模块1-10进行激光功率放大，将激光功率放大至60kW。
本实施例中，多波长光谱合成系统2由光学镜片2-1与光学镜片2-2组成；所述光学镜片2-1为石英晶体，通光端面1镀有45°的1030nm高反膜；所述光学镜片2-2基质材料为石英晶体，通光端面1镀有45°的1064nm高透膜、通光端面2镀有45°的1064nm高透膜以及1030nm高反膜。
如图4所示，Yb:YAG晶体1030nm高功率子激光器1-2经光学镜片2-1实现方向偏折，Nd:YAG晶体1064nm高功率子激光器1-1与经光学镜片2-1实现方向偏折后的Yb:YAG晶体1030nm高功率子激光器1-2通过光学镜片2-2实现大于100kW级双波长激光光谱合成。
本实施例中，多光谱合成反馈控制系统为：由分光比为1/1000的分光镜3-1，激光波前探测器3-2、反馈系统3-3、波长控制系统3-4、以及由标准具构成的波长调控器件1-08组成；激光波前探测器3-2实时监测合束后激光的波前信息，所述波前信息经反馈系统3-3传输至波长控制系统3-4，波长控制系统3-4经数据分析后对子激光器的由标准具构成的波长调控器件1-08进行反馈式控制，改变子激光器的输出波长，从而校正热效应导致的光束离散及光束质量恶化。
实施例2
本实施例提供一种100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置，采用一台Nd:YAG晶体1064nm高功率子激光器1-1与一台Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-2双波长光谱合成，获得100kW级高功率全固态激光输出。
激光器结构与实施例1基本相同，不同之处在于：
1、激光增益介质为Nd:YAG晶体与Nd:YAG陶瓷材料。Nd:YAG晶体材料与实施例一中相同，Nd:YAG陶瓷材料选用陶瓷激光材料作为激光增益介质，其中Nd离子掺杂浓度为1at.％，晶体棒直径为3mm，长度为80mm，晶体双端面镀有1064nm激光增透膜；
2、多波长光谱合成系统2由光学镜片2-1与合成器件2-2组成；所述光学镜片2-1为石英晶体，通光端面1镀有60°的1064nm宽谱(约10nm)高反膜；所述合成器件2-2为光栅。
Nd:YAG晶体高功率子激光器1-1输出功率为60kW的1064nm激光，Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-2输出功率为60kW的1065nm激光；两台子激光器输出不同波长激光，组成双波长子激光束。
如图5所示，Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-2输出的1065nm激光经光学镜片2-1实现方向偏折；偏折后的Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-2输出的1065nm激光与Nd:YAG晶体高功率子激光器1-1输出的1064nm激光通过光栅合成器件2-2进行光谱合成，实现100kW级高功率全固态激光输出。
实施例3
本实施例提供一种100kW级高功率全固态激光多波长光谱合成装置，采用一台Nd:YAG晶体1064nm高功率子激光器1-1与两台高掺杂掺杂Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-2、1-3多波长光谱合成，获得100kW级高功率全固态激光输出。
激光器结构与实施例1基本相同，不同之处在于：
1、激光增益介质为Nd:YAG晶体与高掺杂Nd:YAG陶瓷材料。Nd:YAG晶体材料与实施例一中相同，Nd:YAG陶瓷材料选用陶瓷激光材料作为激光增益介质，其中Nd离子掺杂浓度为5at.％，晶体棒直径为3mm，长度为80mm，晶体双端面镀有1064nm激光增透膜。
2、多波长光谱合成系统2由光学镜片2-0、光学镜片2-1，与合成器件2-2组成；所述光学镜片2-0为石英晶体，通光端面1镀有70°的1064nm宽谱(约10nm)高反膜；所述光学镜片2-1为石英晶体，通光端面1镀有60°的1064nm宽谱(约10nm)高反膜；所述合成器件2-1，2-2为光栅。
Nd:YAG晶体高功率子激光器1-1输出功率为40kW的1064nm激光，高掺杂掺杂Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-2输出功率为40kW的1063nm激光，高掺杂掺杂Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-3输出功率为40kW的1065nm激光；三台子激光器输出不同波长激光，组成多波长子激光束；
如图6所示，高掺杂掺杂Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-3输出的1065nm激光经光学镜片2-0实现方向偏折，高掺杂掺杂Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-2输出的1063nm激光经光学镜片2-1实现方向偏折；偏折后的高掺杂掺杂Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-3输出的1065nm激光、高掺杂掺杂Nd:YAG陶瓷高功率子激光器1-2输出的1063nm激光,与Nd:YAG晶体高功率子激光器1-1输出的1064nm激光通过光栅合成器件2-2进行光谱合成，实现100kW级高功率全固态激光输出。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种高功率全固态激光多波长光谱合成装置，其特征在于，包括：至少两台具有不同激光增益介质的高功率子激光器、多波长光谱合成系统，多光谱合成反馈控制系统；
所述高功率子激光器中，至少有两台具有不同的激光增益介质，可输出不同波长激光，组成多波长子激光束，所述多波长子激光束经过多波长光谱合成系统进行合束，多光谱合成反馈控制系统为合成装置提供反馈式控制，实时补偿高功率条件下，多波长光谱合成系统热效应引起的多波长激光束合束后光束离散、光束质量下降；
所述多光谱合成反馈控制系统为：
由激光波前探测器、反馈系统、波长控制系统、以及波长调控器件组成；激光波前探测器实时监测合束后激光的波前信息，所述波前信息经反馈系统传输至波长控制系统，波长控制系统经数据分析后对子激光器的波长调控器件进行反馈式控制，改变子激光器的输出波长，从而校正热效应导致的光束离散及光束质量恶化。
2.根据权利要求1所述的高功率全固态激光多波长光谱合成装置，其特征在于，所述高功率子激光器可以为：
至少一台Nd:YAG晶体高功率子激光器、至少一台Yb:YAG晶体高功率子激光器；所述Nd:YAG晶体与所述Yb:YAG晶体为不同激光增益介质，输出不同激光波长，组成多波长激光器；当所述Yb:YAG高功率子激光器数量大于一台时，子激光器输出波长不同，波长处于1030nm-1080nm范围内；
或者，
至少一台Nd:YAG晶体高功率子激光器、至少一台Nd:YAG陶瓷高功率子激光器组合而成；由于Nd:YAG晶体与Nd:YAG陶瓷激光增益介质结构不同，子激光器输出数千瓦及以上功率时，Nd:YAG晶体高功率子激光器与Nd:YAG陶瓷高功率子激光器的激光增益介质最高温度差可达数十至数百摄氏度，因此相同掺杂浓度的Nd:YAG晶体高功率子激光器与Nd:YAG陶瓷高功率子激光器波长差0.4nm-1nm，从而组成多波长激光器；
或者，
至少一台Nd:YAG晶体高功率子激光器、至少一台高掺杂掺杂(大于1at％)Nd:YAG陶瓷高功率子激光器；由于高掺杂掺杂条件下，Nd:YAG陶瓷材料辐射光谱展宽，可精选出与Nd:YAG晶体波长不同的激光，从而组成多波长激光器。
3.根据权利要求1所述的高功率全固态激光多波长光谱合成装置，其特征在于，所述多波长光谱合成系统为：光栅或者光学镜片。
4.根据权利要求1所述的高功率全固态激光多波长光谱合成装置，其特征在于，所述波长调控器件为：标准具。
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