一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块制造技术

本发明专利技术通过优化热管理和光路设计，提供一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，包括激光反射装置和作为增益介质的板条介质；所述板条介质两端的上下两个表面为无倏逝膜区域，上下表面的中间部分为倏逝膜区域；入射激光L1从板条介质的无倏逝膜区域进入板条介质内部，并沿板条介质长度方向传输，从板条介质另一端的无倏逝膜区域出射；所述激光反射装置将出射的入射激光L1再次反射进入板条介质的内部进行第二次传输，并从第一次的入射端出射，其中入射激光L1第二次的入射点位置约束条件为：入射激光L1两次通过板条介质时产生的波前畸变波形相反，进而得到消除波前畸变、高功率高光束质量的出射激光。

Slab laser module with self correcting capability of wave front aberration

The optimization design of thermal management and optical path, a slab laser module with wavefront distortion of self correcting capability, including laser reflecting device and as slab gain medium; the two ends of the slab on the two surface without evanescent film area, the middle part of the upper and lower surfaces of the evanescent membrane region; laser L1 from non evanescent membrane region into slab internal slab and slab length, along the transmission direction, from the evanescent film area exit slab on the other end; the laser reflecting device will internal incident laser L1 shot again reflected into the slab for the second time transmission, and exit from the first end of the incident, the incident laser L1 second incident position constraint conditions for wavefront distortion of laser waveform L1 two times through the slab produced by On the contrary, the output laser with high power and high beam quality is obtained.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于板条激光器和激光放大器
，尤其涉及一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块。
技术介绍
获得高功率高光束质量的激光输出一直是固体激光器研究者追求的目标，要同时实现高功率和高光束质量的一个关键性问题是如何对固体激光介质进行有效地热管理。热管理的内涵包括减小废热的产生、高效散热、补偿热效应的不良影响三个方面的内容。与传统棒状介质相比，板条状激光介质具有冷却表面大，zigzag光路传输可大大减弱热效应的不良影响等突出优点，受到高能激光界的高度重视。2009年，美国诺·格公司利用MOPA(激光主振荡功率放大器)方案结合CCEPS(传导冷却端面泵浦板条)模块，采用7路板条放大链，首次实现了105kW的高功率固体激光输出。2010年，美国达信公司采用陶瓷板条，由6个17kW的ThinZag模块串联形成谐振腔，利用自适应系统进行波前的相位校正，单口径实现了100kW的激光输出。在国内，不少科研机构基于上述两种板条激光模块及其设计思想，开展了高能激光器和放大器技术研究，这些单位包括国防科学技术大学、中国工程物理研究院、华北光电技术研究所、上海光学精密机械研究所等。从热管理的角度出发，分析上述两个方案的优缺点，可得到如下结论：诺·格公司CCEPS模块的优点在于采用端面泵浦方案，泵浦效率高，泵浦光模体积和振荡激光模体积匹配，传导冷却方式散热更均匀，易于实现高光束质量输出。其缺点在于：1、考虑到衍射效应，激光在入射端面上的占空比(光斑尺寸与入射面面积之比)必须小于1。为避免出现光束分裂的情况，进一步限制了板条厚度方向的光斑尺寸。为获得高功率激光输出，板条介质宽比度厚度大，这导致采用CCEPS激光模块的激光器和放大器出射激光为细长条形光斑，光学系统复杂度。例如，采用自适应光学技术进行光束质量主动控制时，必须采用多块柱透镜对光斑进行整形，这不仅增加了系统结构的复杂度，还增加了调节难度。2、由于激光束在厚度方向尺寸小，导致激光束在板条激光模块中单次传输时，板条介质内部的填充因子难以达到1。由于板条介质厚度薄，为使填充因子达到1，以获得高功率激光输出，激光必须以不同角度进入板条介质至少2次以上。3、CCEPS模块中，泵浦光从切有45°的端头入射，热沉无法对该区域进行有效制冷。高功率条件下，当板条介质两端的未掺杂YAG对泵浦光存在较强吸收时，将导致严重的端头热效应问题。达信公司ThinZag模块的优点在于：采用面泵浦方案，在同等泵浦功率条件下，介质内部的热源密度小、温度低、热应力小。其缺点在于：1、振荡激光通过冷却液(一种折射率匹配液)，冷却液的温度变化也会对激光波前产生影响。相同温升条件下，冷却液的折射率随温度的变化比板条折射率随温度的变化多一个数量级，且直接液冷容易造成散热的不均匀，必须深入研究液体冷却液流动对激光波前的影响。2、采用直接液冷的方式，为尽可能地带走激光介质中的热量，必须增大冷却液的流速。然而，冷却液高速流动容易造成结构的振动，导致系统不稳定，水压导致石英玻璃形变，产生静态波前畸变。3、散热与提高系统效率之间存在矛盾：为了尽快带走介质中的热量，要求板条介质尽可能薄，这将减少泵浦光的吸收长度，降低泵浦效率。4、泵浦光和激光均通过冷却液进行传输，要求冷却液对泵浦光、激光无吸收。在工程实践中，研究人员发现：基于板条状激光介质的激光器和放大器难以实现高光束质量激光输出。主要表现在两个方面：一是板条宽度方向(垂直于ZigZag平面方向)与厚度方向(平行于ZigZag平面方向)均存在热致波前畸变，且两个方向上的热透镜焦距不一致，其中，宽度方向的热效应因无法得到有效补偿，光束质量更差；二是波前畸变中高频分量多，即便采用光束质量主动控制技术，受变形镜空间分辨率和AO系统闭环带宽限制，仍难以获得高光束质量激光输出。此外，当激光模块确定后，热致波前畸变的幅值随着输出功率的提高而增大，这可能导致大功率条件下波前畸变幅值超出变形镜校正能力的问题。综上所述，CCEPS和ThinZag板条激光模块均存在一定热管理和光路设计缺陷。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块及补偿方法，通过优化热管理和光路设计，使激光两次以同一角度通过板条介质，产生两个波形相反的波前畸变，进行相消叠加达到减小波前畸变、消除波前畸变中的高频分量的目的，缓解光束质量主动控制系统的压力，获得高功率高光束质量的激光输出。一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，包括激光反射装置和作为增益介质的板条介质；所述板条介质两端的上下两个表面为无倏逝膜区域，上下表面的中间部分为倏逝膜区域；入射激光L1从板条介质的无倏逝膜区域进入板条介质内部，并沿板条介质长度方向传输，从板条介质另一端的无倏逝膜区域出射；所述激光反射装置将出射的入射激光L1再次反射进入板条介质的内部进行第二次传输，并从第一次的入射端出射，其中入射激光L1第二次的入射点位置约束条件为：入射激光L1两次通过板条介质时产生的波前畸变波形相反，进而得到消除波前畸变的出射激光。一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，还包括第一热沉C1和第二热沉C2；所述板条介质夹在第一热沉C1和第二热沉C2之间；所述第一热沉C1和第二热沉C2内部均为中空结构，内部设有冷却通道，热沉对板条介质进行传导制冷。所述激光反射装置包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4以及第五反射镜M5；其中第一反射镜M1和第二反射镜M2相互平行放置在板条介质一组对角的两端；第三反射镜M3和第四反射镜M4相互垂直放置在板条介质的同一端，并与第二反射镜M2同侧；第五反射镜M5放置在板条介质另一组对角的一端，同时与第三反射镜M3和第四反射镜M4处于板条介质的同一侧；入射激光L1通过所述第一反射镜M1反射进入板条介质中，第二反射镜M2接收从板条介质第一次出射的入射激光L1并反射至第三反射镜M3，然后再依次经过第四反射镜M4和第五反射镜M5，其中第五反射镜M5控制激光第二次入射点的位置，使其再次进入板条介质中。一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，还包括第一电机D1；所述第一电机D1驱动第五反射镜M5沿板条介质长度的方向运动。一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，还包括第一激光窗口W1、第二激光窗口W2、第三激光窗口W3、第四激光窗口W4；所述第一热沉C1的两端各开有一个凹槽，该两个凹槽均贯穿至板条介质的上表面；所述第二热沉C2的两端各开有一个凹槽，该两个凹槽均贯穿至板条介质的下表面；所述第一激光窗口W1和第二激光窗口W2分别嵌入第一热沉C1左右两端的凹槽中，同时两个激光窗口和两个凹槽分别构成2个折射率匹配液的储液区域；所述第三激光窗口W3和第四激光窗口W4分别嵌入第二热沉C2左右两端的凹槽中，同时两个激光窗口和两个凹槽分别构成另外2个折射率匹配液的储液区域；所述第一激光窗口W1和第二激光窗口W2是激光的入射窗口；第三激光窗口W3和第四激光窗口W4是激光的出射窗口；其中四个激光窗口表面均镀增透膜。所述激光反射装置包括第一反射镜M1和直角反射棱镜M7；所述第一反射镜M1和直角反射棱镜M7分别放置在板条介质的两端；入射激光L1通过所述第一反射镜M1反射进入板条介质中，直角反射棱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，其特征在于，包括激光反射装置和作为增益介质的板条介质；所述板条介质两端的上下两个表面为无倏逝膜区域，上下表面的中间部分为倏逝膜区域；入射激光L1从板条介质的无倏逝膜区域进入板条介质内部，并沿板条介质长度方向传输，从板条介质另一端的无倏逝膜区域出射；所述激光反射装置将出射的入射激光L1再次反射进入板条介质的内部进行第二次传输，并从第一次的入射端出射，其中入射激光L1第二次的入射点位置约束条件为：入射激光L1两次通过板条介质时产生的波前畸变波形相反，进而得到消除波前畸变的出射激光。

【技术特征摘要】
1.一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，其特征在于，包括激光反射装置和作为增益介质的板条介质；所述板条介质两端的上下两个表面为无倏逝膜区域，上下表面的中间部分为倏逝膜区域；入射激光L1从板条介质的无倏逝膜区域进入板条介质内部，并沿板条介质长度方向传输，从板条介质另一端的无倏逝膜区域出射；所述激光反射装置将出射的入射激光L1再次反射进入板条介质的内部进行第二次传输，并从第一次的入射端出射，其中入射激光L1第二次的入射点位置约束条件为：入射激光L1两次通过板条介质时产生的波前畸变波形相反，进而得到消除波前畸变的出射激光。2.如权利要求1所述的一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，其特征在于，还包括第一热沉C1和第二热沉C2；所述板条介质夹在第一热沉C1和第二热沉C2之间；所述第一热沉C1和第二热沉C2内部均为中空结构，内部设有冷却通道，热沉对板条介质进行传导制冷。3.如权利要求2所述的一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，其特征在于，所述激光反射装置包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4以及第五反射镜M5；其中第一反射镜M1和第二反射镜M2相互平行放置在板条介质一组对角的两端；第三反射镜M3和第四反射镜M4相互垂直放置在板条介质的同一端，并与第二反射镜M2同侧；第五反射镜M5放置在板条介质另一组对角的一端，同时与第三反射镜M3和第四反射镜M4处于板条介质的同一侧；入射激光L1通过所述第一反射镜M1反射进入板条介质中，第二反射镜M2接收从板条介质第一次出射的入射激光L1并反射至第三反射镜M3，然后再依次经过第四反射镜M4和第五反射镜M5，其中第五反射镜M5控制激光第二次入射点的位置，使其再次进入板条介质中。4.如权利要求3所述的一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，其特征在于，还包括第一电机D1；所述第一电机D1驱动第五反射镜M5沿板条介质长度的方向运动。5.如权利要求3所述的一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，其特征在于，还包括第一激光窗口W1、第二激光窗口W2、第三激光窗口W3、第四激光窗口W4；所述第一热沉C1的两端各开有一个凹槽，该两个凹槽均贯穿至板条介质的上表面；所述第二热沉C2的两端各开有一个凹槽，该两个凹槽均贯穿至板条介质的下表面；所述第一激光窗口W1和第二激光窗口W2分别嵌入第一热沉C1左右两端的凹槽中，同时两个激光窗口和两个凹槽分别构成2个折射率匹配液的储液区域；所述第三激光窗口W3和第四激光窗口W4分别嵌入第二热沉C2左右两端的凹槽中，同时两个激光窗口和两个凹槽分别构成另外2个折射率匹配液的储液区域；所述第一激光窗口W1和第二激光窗口W2是激光的入射窗口；第三激光窗口W3和第四激光窗口W4是激光的出射窗口；其中四个激光窗口表面均镀增透膜。6.如权利要求2所述的一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，其特征在于，所述激光反射装置包括第一反射镜M1和直角反射棱镜M7；所述第一反射镜M1和直角反射棱镜M7分别放置在板条介质的两端；入射激光L1通过所述第一反射镜M1反射进入板条介质中，直角反射棱镜M7接收从板条介质第一次出射的入射激光L1并将其再次反射进入板条介质的内部；其中直角反射棱镜M7控制入射激光L1第二次进入板条介质入射点的位置。7.如权利要求6所述的一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，其特征在于，还包括第一电机D1；所述第一电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，黄秀军，周一鸣，赵爽，杨宁虎，徐红艳，宋镇江，石德乐，张彬，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空工程学院，山东航天电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37