CN117039590A - 一种纳秒脉冲锻造激光器光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳秒脉冲锻造激光器光学系统，涉及锻造激光器技术领域，它包括振荡系统、预放系统、主放系统和柔性导光臂系统，振荡系统产生的纳秒脉冲激光分别经预放系统和主放系统进行放大后由柔性导光臂系统导出，振荡系统和预放系统之间设有第一热效应补偿激光扩束透镜组件，预放系统和主放系统之间设有第二热效应补偿激光扩束透镜组件；激光棒的工作介质为Nd:YAG，端面磨斜1.5°。本发明由于在各个系统之间增设了热效应补偿激光扩束透镜组件，不仅具有激光扩束的功能，而且还具有热效应补偿的功能，从而保障了光束质量；本发明对激光棒进行改进，有效解决了在泵浦过程中，激光棒两个端面所产生的自振现象。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲锻造激光器技术领域，尤其是涉及一种纳秒脉冲锻造激光器光学系统。
背景技术
激光器运行中产生的大量热堆积，影响了激光输出能量的稳定性及光束质量，长时间运行，有可能导致光学元器件的热损伤和光学系统的损坏，热平衡技术是高频大能量激光系统中，保证激光束质量和稳定性的关键技术问题。
高功率激光在震荡和放大的过程中，由于无辐射跃迁以及介质吸收等原因，导致光学元件温度升高，从而形成温度梯度，引起增益介质光学参数的变化，进而在激光晶体内部形成不均匀的折射率分布。这些效应作用在激光晶体上，会在空间上形成类似于透镜的效果，被统称为热透镜效应。而由此而引起的热致双折射则会改变入射光的偏振状态，出现退偏效应;热透镜效应对激光造成的空间上的畸变将降低模体积、增大输出激光的发散角，从而降低光束质量，制约着激光器的稳定性、光光转换效率、输出功率等性能。目前，热效应已经成为提升激光器性能的一大阻碍。
现有的激光器，存在的另一问题是：在泵浦过程中在激光棒的两个端面产生自振的现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种补偿热效应的纳秒脉冲锻造激光器光学系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种纳秒脉冲锻造激光器光学系统，包括振荡系统、预放系统、主放系统和柔性导光臂系统，振荡系统产生的纳秒脉冲激光分别经预放系统和主放系统进行放大后由柔性导光臂系统导出，所述振荡系统和预放系统之间设有第一热效应补偿激光扩束透镜组件，所述预放系统和主放系统之间设有第二热效应补偿激光扩束透镜组件。
进一步地，所述第一热效应补偿激光扩束透镜组件和第二热效应补偿激光扩束透镜组件，均包括扩束锥形筒、透镜A、透镜B和间距调节机构,将透镜A和透镜B安装在扩束锥形筒内并调整透镜A和透镜B间的距离，所述间距调节机构用以调整透镜A和透镜B间的距离，将扩束及热效应补偿合二为一，在一个扩束系统中，同时实现热效应补偿的功能。
进一步地，所述振荡系统发生的激光经第一光阑、第一隔离系统射向第一热效应补偿激光扩束透镜组件，所述第一热效应补偿激光扩束透镜组件射出的激光经第三全反镜、第四全反镜后折回反向射到预放系统。
进一步地，所述预放系统包括第二光阑和第二激光棒,折回反向的激光经第二光阑射向第二激光棒，第二激光棒射向第二热效应补偿激光扩束透镜组件，所述第二激光棒的工作介质为Nd:YAG，第二激光棒两端的端面磨斜1.5°，用以消除自振现象。这就基本杜绝了由于激光棒的两个端面，在泵浦过程中产生自振的现象，有效的抑制了激光系统的ASE能量。
进一步地，所述主放系统包括第三激光棒、第二隔离系统、第三光阑和第五全反镜，第二热效应补偿激光扩束透镜组件射出的激光，依次经第三激光棒、第二隔离系统、第三光阑，由第五全反镜转向90º后射向柔性导光臂系统，所述的第三激光棒采用的是：Φ12mm的Nd:YAG介质；所述振荡系统输出的原始光斑大小约为Φ10.5mm。
进一步地，所述主放系统中的第三激光棒两端的端面磨斜1.5°，用以消除自振现象。这就基本杜绝了由于激光棒的两个端面，在泵浦过程中产生自振的现象，有效的抑制了激光系统的ASE能量。
进一步地，所述柔性导光臂系统将激光射向光束变换系统，所述光束变换系统用以将激光输出的圆光斑转化为一个线光斑，以满足锻造激光的应用。
进一步地，所述振荡系统包括第一全反入腔镜、电光调Q晶体、偏振镜、第一激光棒、限模小孔、第二全反出腔镜，电光调Q晶体位于第一全反入腔镜和偏振镜之间，给电光调Q晶体加电后，光源发出的激光经第一全反入腔镜进入电光调Q晶体，引起激光波长的λ/4延迟，线偏振光通过偏振镜后就变成圆偏振光，反射再次进入电光调Q晶体，再次引起激光波长的λ/4延迟，成为线偏振光且方向转向90°，经过第一激光棒增益放大的激光穿过限模小孔进行选波后从第二全反出腔镜射出。
进一步地，所述电光调Q晶体采用的是液体封装KD*P普克尔盒。
进一步地，所述第一激光棒的工作介质为Nd:YAG，第一激光棒两端的端面磨斜1.5°，用以消除自振现象。
本发明的有益效果在于：
1、本发明由于在各个系统之间增设了热效应补偿激光扩束透镜组件，不仅具有激光扩束的功能，而且还具有热效应补偿的功能，从而保障了光束质量；
2、本发明将各个激光棒两端的端面磨斜1.5°，有效解决了在泵浦过程中，激光棒两个端面所产生的自振现象。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图：
图1为本发明的光学系统排布示意图；
图2为图1所示第一热效应补偿激光扩束透镜组件的结构示意图。
图中：1、振荡系统；2、预放系统；3、主放系统；4、第一热效应补偿激光扩束透镜组件；5、第二热效应补偿激光扩束透镜组件；6、扩束锥形筒；7、透镜A；8、透镜B。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上表面”、“下表面”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“正转”、“反转”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
如图1所示，一种纳秒脉冲锻造激光器光学系统，包括振荡系统1、预放系统2、主放系统3和柔性导光臂系统LGA，振荡系统1产生的纳秒脉冲激光分别经预放系统2和主放系统3进行放大后由柔性导光臂系统LGA导出，导出的激光脉冲宽度（FWHM）变化范围：15-35ns，激光中心波长：1064nm，最大脉冲串能量：3J，脉冲串内脉冲数量：2-10可选。
振荡系统1和预放系统2之间设有第一热效应补偿激光扩束透镜组件4，所述预放系统2和主放系统3之间设有第二热效应补偿激光扩束透镜组件5。
所述振荡系统1发生的激光经第一光阑D1、第一隔离系统FR1射向第一热效应补偿激光扩束透镜组件，所述第一热效应补偿激光扩束透镜组件射出的激光经第三全反镜M3、第四全反镜M4后折回反向射到预放系统。
所述预放系统2包括第二光阑D2和第二激光棒ROD2,折回反向的激光经第二光阑D2射向第二激光棒ROD2，第二激光棒ROD2射向第二热效应补偿激光扩束透镜组件，所述第二激光棒ROD2的工作介质为Nd:YAG，第二激光棒ROD2两端的端面磨斜1.5°。这就基本杜绝了由于激光棒的两个端面，在泵浦过程中产生自振的现象，有效的抑制了激光系统的ASE能量。
所述主放系统3包括第三激光棒ROD3、第二隔离系统FR2、第三光阑D3和第五全反镜M5，第二热效应补偿激光扩束透镜组件射出的激光，依次经第三激光棒ROD3、第二隔离系统FR2、第三光阑D3，由第五全反镜M5转向90º后射向柔性导光臂系统，所述的第三激光棒ROD3采用的是：Φ12mm的Nd:YAG介质；所述振荡系统输出的原始光斑大小约为Φ10.5mm。
另外，所述主放系统3中的第三激光棒ROD3两端的端面磨斜1.5°。这就基本杜绝了由于激光棒的两个端面，在泵浦过程中产生自振的现象，有效的抑制了激光系统的ASE能量。
所述柔性导光臂系统LGA将激光射向光束变换系统L1，所述光束变换系统L1用以将激光输出的圆光斑转化为一个线光斑，以满足锻造激光的应用。
振荡系统1包括第一全反入腔镜M1、电光调Q晶体EO、偏振镜P、第一激光棒ROD1、限模小孔AP、第二全反出腔镜M2，电光调Q晶体EO位于第一全反入腔镜M1和偏振镜P之间，给电光调Q晶体EO加电后，光源发出的激光经第一全反入腔镜M1进入电光调Q晶体EO，引起激光波长的λ/4延迟，线偏振光通过偏振镜P后就变成圆偏振光，反射再次进入电光调Q晶体EO，再次引起激光波长的λ/4延迟，成为线偏振光且方向转向90°，经过第一激光棒ROD1增益放大的激光穿过限模小孔AP进行选波后从第二全反出腔镜M2射出。所述第一激光棒的工作介质为Nd:YAG，第一激光棒两端的端面磨斜1.5°，用以消除自振现象。
本振荡系统，防止了光反馈的产生，在光源激光脉冲即将结束时，切断电光调Q晶体EO的电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，使线偏振光无损耗地通过电光调Q晶体EO，这样振荡系统的振荡腔内就形成了振荡，在短暂的延迟之后，振荡系统输出一个巨脉冲。
电光调Q晶体采用的是液体封装KD*P普克尔盒，作为本光学系统的调制器件，可以获得脉冲窄、峰值功率高的巨脉冲。对干KD*P在高重频下易产生压电振铃效应的问题，因本系统所研究的高重频激光器多为腔倒空结构，所以将通过控制其驱动电脉冲的脉宽在一个较短的时间范围内(50ns左右)，即控制其激光在腔内生成阶段的时间，以做到对压电振铃效应的抑制。但是由干过低的激光振荡建立时间会使反转粒子能量来不及转换成激光振荡进而引发激光器效率降低，所以上述时间控制需要按照激光系统的实际情况设定在合理的范围内。本系统中激光振荡建立时间将控制定在20-45ns。
如图2所示，第一热效应补偿激光扩束透镜组件4和第二热效应补偿激光扩束透镜组件5，均包括扩束锥形筒6、透镜A7、透镜B8和间距调节机构（图中未显示）,将透镜A7和透镜B8安装在扩束锥形筒6内，所述间距调节机构用以调整透镜A7和透镜B8间的距离，将扩束及热效应补偿合二为一。
在设计扩束系统时，同时考虑了对激光介质热透镜效应的补偿，即扩束及热透镜补偿功能合二为一。原本激光扩束系统出射的激光应基本为平行光，发散角比较小，设计时将热透镜效应的补偿考虑进去，根据前期实验，设计合理的焦距及透镜间的距离，就可以将扩束及热效应的补偿合二为一，在一个扩束系统中，同时实现热效应补偿的问题。另外，通过改善冷却系统，来提高其散热能力，达到抑制热效应的效果。例如更改循环水冷却系统中冷却液的流动路径、流速，使得增益介质表面温度分布更加均匀。
此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种纳秒脉冲锻造激光器光学系统，包括振荡系统、预放系统、主放系统和柔性导光臂系统，振荡系统产生的纳秒脉冲激光分别经预放系统和主放系统进行放大后由柔性导光臂系统导出，其特征在于：所述振荡系统和预放系统之间设有第一热效应补偿激光扩束透镜组件，所述预放系统和主放系统之间设有第二热效应补偿激光扩束透镜组件。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述第一热效应补偿激光扩束透镜组件和第二热效应补偿激光扩束透镜组件，均包括扩束锥形筒、透镜A、透镜B和间距调节机构,将透镜A和透镜B安装在扩束锥形筒内并调整透镜A和透镜B间的距离，所述间距调节机构用以调整透镜A和透镜B间的距离，将扩束及热效应补偿合二为一。
3.根据权利要求2所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述振荡系统发生的激光经第一光阑、第一隔离系统射向第一热效应补偿激光扩束透镜组件，所述第一热效应补偿激光扩束透镜组件射出的激光经第三全反镜、第四全反镜后折回反向射到预放系统。
4.根据权利要求3所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述预放系统包括第二光阑和第二激光棒,折回反向的激光经第二光阑射向第二激光棒，第二激光棒射向第二热效应补偿激光扩束透镜组件，所述第二激光棒的工作介质为Nd:YAG，第二激光棒两端的端面磨斜1.5°，用以消除自振现象。
5.根据权利要求4所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述主放系统包括第三激光棒、第二隔离系统、第三光阑和第五全反镜，第二热效应补偿激光扩束透镜组件射出的激光，依次经第三激光棒、第二隔离系统、第三光阑，由第五全反镜转向90º后射向柔性导光臂系统，所述的第三激光棒采用的是：Φ12mm的Nd:YAG介质；所述振荡系统输出的原始光斑大小约为Φ10.5mm。
6.根据权利要求5所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述主放系统中的第三激光棒两端的端面磨斜1.5°，用以消除自振现象。
7.根据权利要求6所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述柔性导光臂系统将激光射向光束变换系统，所述光束变换系统用以将激光输出的圆光斑转化为一个线光斑，以满足锻造激光的应用。
8.根据权利要求7所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述振荡系统包括第一全反入腔镜、电光调Q晶体、偏振镜、第一激光棒、限模小孔、第二全反出腔镜，电光调Q晶体位于第一全反入腔镜和偏振镜之间，给电光调Q晶体加电后，光源发出的激光经第一全反入腔镜进入电光调Q晶体，引起激光波长的λ/4延迟，线偏振光通过偏振镜后就变成圆偏振光，反射再次进入电光调Q晶体，再次引起激光波长的λ/4延迟，成为线偏振光且方向转向90°，经过第一激光棒增益放大的激光穿过限模小孔进行选波后从第二全反出腔镜射出。
9.根据权利要求8所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述电光调Q晶体采用的是液体封装KD*P普克尔盒。
10.根据权利要求9所述的纳秒脉冲锻造激光器光学系统，其特征在于：所述第一激光棒的工作介质为Nd:YAG，第一激光棒两端的端面磨斜1.5°，用以消除自振现象。
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