CN1564398A - 波面热畸变自校正的高平均功率固体板条激光器 - Google Patents

Abstract

一种波面热畸变自校正的高平均功率固体板条激光器，其特点是在激光腔体中，平行放置两块尺寸、材料和性能相同的激光介质板条，其外侧分别平行设置抽运源，在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，第一激光介质板条的另一端有全反射凹面腔镜，第二激光介质板条的另一端设有部分透过的耦合输出腔镜，在该两激光介质板条之间流通有温度为T₁的冷却介质，在第一激光介质板条与第一抽运源之间以及第二激光介质板条与第二抽运源之间同时分别流通有温度为T₂的冷却介质，而且T₁＜T₂。采用本发明腔体、冷却方式和谐振腔结构，可有效地克服高功率固体板条激光器的热透镜效应。

Description

波面热畸变自校正的高平均功率固体板条激光器

技术领域：

本发明涉及固体板条激光器，特别时一种能够对波面热畸变自校正的高平均功率固体板条激光器。

技术背景：

传统的高平均功率固体激光器，增益介质大多采用圆棒状，封在石英套管中通以冷却介质加以冷却，并在聚光腔中用闪光灯进行抽运。这种工作方式在达到稳定时，增益介质的温度分布沿轴线呈中心对称分布，在高平均功率抽运时会产生严重的热透镜效应，甚至由于温度梯度过大而使增益介质炸裂。为克服圆棒结构的这种问题，板条结构被广泛应用于高功率激光系统中。片状激光器用多片激光增益介质片与光轴呈布儒斯特角交叠放置，冷却介质从介质片表流过进行冷却。尽管这种结构有良好的冷却效果，但却由于介质片的安装应力和冷却边缘效应以及冷却液引起的光学损耗等使这种激光器的光学质量和输出效率都不够理想。目前得到广泛重视的Zig-zag形光路板条激光器能够很好的解决由于热分布引起的问题，但是这种激光器要求激光板条的两个抽运面平行度和光洁度都很高，不仅难于加工，同时使机械安装也变的很复杂^[3]，此外还会在这两个面之间产生寄生振荡而使激光效率大大降低。而采用传统的矩形板条激光器，则类似于圆棒结构，当对激光介质板条进行面冷却达到热平衡状态时，沿抽运方向的温度分布近似呈抛物线状，如图1所示，其中心温度与边缘温度的差值大小取决于抽运强度、冷却速率和冷却介质的温度。^[4]而增益介质的折射率是温度的函数，折射率随温度的变化温度如式(1)所述：

$\mathrm{\Δn}\left(x\right)=-\frac{Q}{4K}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}{x}^2---\left(1\right)$

其中，Q为单位体积的平均发热量，K为激光介质的热导率，x为宽度方向的坐标，坐标原点位于板条的中心。由于激光增益介质中热分布的不均衡，造成增益介质折射率分布不均，所造成的光程差为：

Δ(n₀l₀)＝n₀l₀(α_l+α_n)ΔT                         (2)

其中ΔT为温度变化量，n₀为介质板条的折射率，l₀为介质板条原长，α_l为线性膨胀系数，α_n为热折射率系数。这样，当激光束通过介质板条时，激光波面就发生畸变，形成热透镜效应，使输出光束质量变差。在高功率激光系统中，特别是高重复率激光器中，介质中心与边缘的温度差可能会达到几十度，由此而引起的应力和热透镜效应以及热致双折射都对激光器的输出产生严重影响。由于这种温度分布呈中心对称状，因此难以对畸变波面进行校正。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有的高平均功率固体激光器的上述缺点，提供一种波面热畸变自校正高平均功率固体板条激光器，该激光器的激光束在通过介质板条时，可实现波面畸变的自校正。

本发明的技术实现方案如下：

一种波面热畸变自校正的高平均功率固体板条激光器，包括激光腔体，其特征是在激光腔体中，平行放置两块尺寸、材料和性能相同的第一、第二激光介质板条，其外侧分别平行设置第一抽运源和第二抽运源，在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，第一激光介质板条的另一端有全反射凹面腔镜，第二激光介质板条的另一端设有部分透过的耦合输出腔镜，在该两激光介质板条之间流通有温度为T₁的冷却介质，在第一激光介质板条与第一抽运源之间以及第二激光介质板条与第二抽运源之间同时分别流通有温度为T₂的冷却介质，而且T₁＜T₂，所述的三反射镜倒光系统的设置使通过第一激光介质板条低温一侧的光将进入第二激光介质板条的高温一侧，而通过第一激光介质板条高温一侧的光将进入第二激光介质板条的低温一侧。

利用两块同样尺寸，同样材料，性能均相同的激光介质板条，平行放置，抽运源从侧面对介质板条进行抽运。两激光介质板条之间通以温度为T₁的冷却介质，两边通以温度为T₂的冷却介质，并使T₁＜T₂，在这种冷却方式下，介质板条的温度分布为：

$T=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m({\mathrm{\β}}_m\cos {\mathrm{\β}}_{m}x+h_1\sin {\mathrm{\β}}_{m}x)e^{-\mathrm{\α}{\mathrm{\β}}_m^{2}t}\frac{1-e^{-n{\mathrm{\β}}_m^2{t}_p}}{1-e^{-{\mathrm{\β}}_m^2{t}_p}}+T_{-}(x,0)---\left(3\right)$

其中t为时间，t_p为抽运脉冲间隔，l为介质板条的厚度，T_-(x，0)为抽运开始前板条的温度分布：

$T\_(x,0)=\frac{(T_1-T_2)x}{l}+T_2$

系数

$c_m=\frac{2}{({\mathrm{\β}}_m^2+{h_1}^2)(l+\frac{h_2}{{\mathrm{\β}}_m^2+h_2^2})+h_1}{\∫}_0^l({\mathrm{\β}}_m\cos {\mathrm{\β}}_{m}x+h_1\sin {\mathrm{\β}}_{m}x)(T_{+}(x,0)-T\_(x,0))\mathrm{dx}---\left(4\right)$

这里h₁、h₂分别为两种冷却介质的传热系数，T₊(x，0)为第一个抽运脉冲结束时板条的温度分布，β为满足如下方程的解：

$\frac{\mathrm{\β}(h_1+h_2)}{{\mathrm{\β}}^2-h_1{h}_2}-\tan \left(\mathrm{\βl}\right)=0---\left(5\right)$

采用特殊设计的三反射镜系统，使通过第一激光介质板条1低温一侧的光进入介质板条2的高温一侧，从而在振荡回路中对由光程差引起的波面畸变进行自动补偿。

图2.为由闪光灯抽运的钕玻璃板条的温度分布在重复抽运情况下随时间的变化。图3是某时刻钕玻璃板条的瞬时温度分布。从图2和图3中可以看出，T₁与T₂的温度差大小决定了介质板条中温度分布的非对称程度，同时随着时间的延长，温度分布趋向于含有坐标x²项的稳态分布，此时的波面畸变的自补偿会变得十分有限，因此，系统的运转采用类似于热容激光器的运转方式，在高平均功率的状态下运转一段时间后，停止运转进行冷却，待冷却平衡后再运转。

本发明的有益效果是，采用本发明腔体、冷却方式和谐振腔结构，可有效地克服高功率固体板条激光器的热透镜效应。

附图说明：

图1为传统的固体板条激光器稳态运转时激光介质板条内温度分布状况图

图2.、图3.为本发明在运转时介质板条内温度分布状况图

图4为本发明的结构示意简图

图5为本发明激光腔体实施例部分剖视示意图

图中：

1、7-抽运源，2、6-温度为T₂的冷却介质，4-温度为T₁的冷却介质，3、5-两块完全相同的第一、第二激光介质板条，8、9、10-不同角度的全反射镜，组合构成一个三反射镜系统，11-全反射凹面腔镜，12-半透半反耦合输出腔镜，13-石英玻璃板，14-抽运闪光灯的冷却水进水管，18、20-温度为T₂的冷却水进水管，19-温度为T₁的冷却水进水管，21-闪光灯冷却水出水管，22、24-温度为T₂的冷却水出水管，23-温度为T₁的冷却水出水管，15-压板，16-介质板条夹块，17-腔体。

具体实施方案：

下面通过实施例对本发明作进一步说明。首先清参阅图4和图5，图4是本发明波面热畸变自校正高平均功率固体板条激光器结构示意简图，图5为本发明激光腔体实施例部分剖视示意图，由图可见，本发明波面热畸变自校正高平均功率固体板条激光器的构成包括：激光腔体17，其特征是在该激光腔体17中，平行放置两块尺寸、材料和性能相同的第一激光介质板条3、第二激光介质板条5，其外侧平行设置第一抽运源1、第二抽运源7，在激光介质板条3、5的一端设有由三块全反射镜8、9、10构成的三反射镜倒光系统，第一激光介质板条3的另一端有全反射凹面腔镜11，第二激光介质板条5的另一端设有部分透过的耦合输出腔镜12，在该两激光介质板条3、5之间流通有温度为T₁的冷却介质，在第一激光介质板条3与第一抽运源1之间以及第二激光介质板条5与第二抽运源7之间同时分别流通有温度为T₂的冷却介质2、6，而且T₁＜T₂，所述的三反射镜倒光系统的设置使通过第一激光介质板条3低温一侧的光将进入第二激光介质板条5的高温一侧，而通过第一激光介质板条3高温一侧的光将进入第二激光介质板条5的低温一侧。在本实施例中，所述的激光介质板条3、5为掺杂浓度为3％的钕玻璃板条，所述的抽运源1、7各由3支尺寸为Φ22×500mm的脉冲氙灯组成，在该两激光介质板条3、5之间流通₁的冷却介质冷却介质是温度为T₁＝5℃的冷却水，两侧通以温度为T₂＝20℃的冷却水；从钕玻璃板条3左侧发出的的一条光线经过全反射镜8、9和10后平行进入钕玻璃板条5的左侧，同样，从3右侧发出的光线经8、9、10反射后平行进入5的右侧，这样激光束就在谐振腔内完全对称的经过两个温度分布如图2.所示的钕玻璃板条。在振荡回路中对由光程差引起的波面畸变进行自动补偿。激光从半透半反耦合输出腔镜12输出。

Claims (3)

1、一种波面热畸变自校正的高平均功率固体板条激光器，包括激光腔体，其特征是在激光腔体中，平行放置两块尺寸、材料和性能相同的第一、第二激光介质板条(3、5)，其外侧平行设置第一、第二抽运源(1、7)，在激光介质板条(3、5)的一端设有由三块全反射镜(8、9、10)构成的三反射镜倒光系统，第一激光介质板条(3)的另一端有全反射凹面腔镜(11)，第二激光介质板条(5)的另一端设有部分透过的耦合输出腔镜(12)，在该两激光介质板条(3、5)之间流通有温度为T₁的冷却介质，在第一激光介质板条(3)与第一抽运源(1)之间以及第二激光介质板条(5)与第二抽运源(7)之间同时分别流通有温度为T₂的冷却介质(2、6)，而且T₁＜T₂，所述的三反射镜倒光系统的设置使通过第一激光介质板条(3)低温一侧的光将进入第二激光介质板条(5)的高温一侧，而通过第一激光介质板条(3)高温一侧的光将进入第二激光介质板条(5)的低温一侧。

2、根据权利要求1所述的波面热畸变自校正的高平均功率固体板条激光器，其特征是所述的激光介质板条(3、5)为钕玻璃板条，或激光晶体板条。

3、根据权利要求1或所述的波面热畸变自校正的高平均功率固体板条激光器，其特征是所述的抽运源(1、7)为脉冲氙灯。

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