高能重频热容激光器的控制方法和高能重频热容激光器技术

一种高能重频热容激光器的控制方法和高能重频热容激光器，该方法包括：将注入脉冲扩束并限制扩束后的注入光束口径，使注入光的放大限制在增益介质的中心区域，注入光束的口径小于增益介质口径的70％；利用增益介质工作初期中心部分的绝热环境形成类似高能重频热容激光器的工作环境；检测输出波前,在高阶波前畸变的离焦像差分量大于0.2个波长时停止工作，以此确定激光器的工作周期长度，通过计算增益介质的热弛豫时间确定散热冷却周期长度；通过改变注入光束口径获得不同长度的工作周期，缩小注入光束口径延长工作周期。本发明专利技术本发明专利技术具有结构简单，控制方便、技术效果好的特点。

Control Method of High Energy Re-Frequency Heat Capacity Laser and High Energy Re-Frequency Heat Capacity Laser

A control method of high-energy repetitive-frequency heat capacity laser and a high-energy repetitive-frequency heat capacity laser are presented. The method includes: expanding the injected pulse beam and limiting the injected beam aperture after beam expansion, limiting the amplification of injected light to the central region of the gain medium, and the injected beam aperture is less than 70% of the gain medium aperture; using the adiabatic environment of the central part of the gain medium in the initial stage of operation, forming a similar one. The working environment of high-energy repetitive-frequency heat capacity laser; detecting the output wavefront, stopping working when the defocusing aberration of high-order wavefront is greater than 0.2 wavelength, so as to determine the working period length of the laser, determine the cooling period length by calculating the thermal relaxation time of the gain medium; obtain different length working period by changing the diameter of the injected beam, and reduce the injected beam aperture. Diameter prolongs working cycle. The invention has the advantages of simple structure, convenient control and good technical effect.

【技术实现步骤摘要】
高能重频热容激光器的控制方法和高能重频热容激光器
本专利技术涉及高能重频脉冲激光，特别是一种高能重频热容激光器的控制方法和高能重频热容激光器。技术背景高能重频激光器是一种输出单脉冲能量高，重复频率在数十赫兹左右，脉宽范围控制在纳秒的固体激光系统。广泛运用于科研、医疗、工业等领域。在飞秒激光装置系统中，作为泵浦源具有十分重要的意义。现有实现方法中，这类激光器主要有脉冲工作模式和热容工作模式两种，脉冲工作模式的散热和激光发射同时发生，在增益介质产生温度梯度，对输出光束质量造成破坏；热容工作模式可以避免热梯度但需要复杂的热管理方式，避免集中散热造成局部极大热应力的破坏。因此采用新的、简单的方法实现热容激光工作模式对实现这类激光器是必要的。申请号为200610026618.0的专利描述了一种实现高能重频热容激光器的方法，但是其中涉及到复杂的水冷控制设备，并且热应力的规避仍存在问题，给实际运用带来了极大的风险。复杂的水冷控制设备和局部极大热应力都限制了高能重频热容激光器在实际中的运用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高能重频热容激光器的控制方法和相应的高能重频热容激光器，该方法利用增益介质的导热特性，使激光发射和热传导在空间上分开，不需要在工作周期内绝热，利用增益介质中心区域形成的绝热区域形成无温度梯度的环境，通过口径控制装置，控制注入光束的口径获得不同时间长度的工作周期，实现热容工作方式，该高能重频热容激光器具有结构简单，控制方便、技术效果好的特点。本专利技术的技术解决方案如下：一种高能重频热容激光器的控制方法，其特点在于该方法包括：将注入脉冲扩束并限制扩束后的注入光束口径，使注入光的放大限制在增益介质的中心区域，注入光束的口径小于增益介质口径的70％；利用增益介质工作初期中心部分的绝热环境形成类似高能重频热容激光器的工作环境；检测输出波前,在高阶波前畸变的离焦像差分量大于0.2个波长时停止工作，以此确定激光器的工作周期长度，通过计算增益介质的热弛豫时间确定散热冷却周期长度；通过改变注入光束口径获得不同长度的工作周期，缩小注入光束口径延长工作周期。该方法在增益介质口径不变时，通过缩小注入光束的孔径，可获得更长的工作周期。实现上述高能重频热容激光器的控制方法的高能重频热容激光器，包括纳秒种子源和激光放大器，其特点在于，所述的纳秒种子源具有时序控制装置；所述的激光放大器由侧面泵浦氙灯、常规水冷聚光腔和腔内大口径的增益介质棒构成；在所述的纳秒种子源和激光放大器之间设有光束口径控制装置，所述的纳秒种子源、光束口径控制装置和激光放大器共光轴。所述的光束口径控制装置由依次的同光轴的正透镜、负透镜组合成的等效透镜的焦点与正透镜形成共焦系统，并具有调整所述的正透镜和负透镜之间的距离的机构；或由扩束系统和软边光阑构成。所述的激光放大器中的增益介质为激光玻璃或激光晶体。上述任一项高能重频热容激光器的控制方法，包括如下步骤：1)、根据激光器输出光束口径要求和纳秒种子源的输出光束口径，确定扩束比，调整所述的光束口径控制装置，使输入所述的激光放大器的光束口径满足激光器输出光束口径要求；2)、在所述的激光放大器的输出激光方向依次设置分光镜、透镜、针孔、透镜和波前传感器构成波前质量检测装置，透过所述的分光镜的透射光经过由透镜、针孔和透镜构成的望远系统以像传递的方式缩束进入所述的波前传感器进行波前质量检测，启动纳秒种子源、激光放大器的电源和水冷装置，在高阶波前畸变的离焦像差分量大于0.2个波长时停止工作，即确定了增益介质的工作周期；3)增益介质热弛豫时间通过如下公式计算，确定冷却周期：其中，r0是增益介质的半径，C是增益介质的常压比热容，ρ是增益介质密度，k是增益介质的热传导系数；4)、所述的工作周期和冷却周期构成种子源的控制时序，将该控制时序输入所述的时序控制装置；5)、启动激光放大器的电源和水冷装置，在所述的时序控制装置的控制下，启动纳秒种子源，即可实现高能重频热容激光器的正常运转。本专利技术的技术优点在于：1)一般热容激光器的热管理装置需要具有精确的时间管理系统和精确的温度控制系统，而本专利技术利用增益介质的本身的导热特性，降低了热管理装置的复杂性。(2)一般热容激光器在停止工作进入散热时或由于急剧降温造成局部极大热应力，本专利技术在工作过程就可以建立热梯度，避免局部极大热应力。(3)相比于连续或者重复工作方式，本专利技术限制口径使用中心温度梯度小的区域，此区域中温度造成的波前畸变小，可以获得完善的波面输出，(4)本专利技术能有效避免激光发射阶段的增益介质内的温度梯度，避免高能重频热容激光器集中散热的局部极大热应力，利用增益介质自身导热的特性形成的局部绝热过程可以降低热管理控制机构的难度。本专利技术所述的激光放大器，由圆形陶瓷聚光腔和多个氙灯侧面均匀泵浦构成，激光放大器使用普通水冷箱进行水冷散热。本专利技术具有结构简单，控制方便、技术效果好的特点。附图说明图1为本专利技术光束口径控制装置两种装置光路示意图。图2为本专利技术高能重频热容激光器实施例1的结构示意图。图3为确定工作周期长度实验原理示意图。图4为实施例1在一个工作周期内的温度变化图。图5为实施例1增益介质口径一定时，工作时间和相对口径的变化示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术做详细说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。本专利技术高能重频热容激光器的控制方法，为：将注入脉冲扩束并限制扩束后的注入光束口径，使注入光的放大限制在增益介质的中心区域注入光束的口径小于增益介质口径的70％；利用增益介质工作初期中心部分的绝热环境形成类似高能重频热容激光器的工作环境；监测输出波前,在高阶波前畸变(去掉平移，离焦像差分量)大于0.2个波长时停止工作；通过改变注入光束口径获得不同长度的工作周期，缩小注入光束口径延长工作周期。请参阅图1，图1为本专利技术光束口径控制装置两种装置光路示意图。其中之一利用变焦扩束系统，变焦扩束系统可以实现输出口径的调整，使得输出光束的口径限制在增益介质的一部分。所述的光束口径控制装置之一(图1上)是由正透镜1、负透镜2、正透镜3提供口径可变的扩束，满足不同工作周期的需求。本专利技术中也可以用其它具有口径调节功能的装置代替。本专利技术正透镜1、负透镜2组合成的等效透镜的焦点与正透镜3形成共焦系统，所以扩束比表示为：其中，f1,f2,f3分别是三个透镜的焦距，d为正透镜1、负透镜2之间的距离。所述的光束口径控制装置之二(图1下)，是用扩束系统和软边光阑构成，通过软边光阑无衍射约束光束口径。类似的口径控制装置都可以在系统中代替使用。请参阅图2，图2为本专利技术高能重频热容激光器实施例1的结构示意图，由图可见，本专利技术高能重频热容激光器，包括纳秒种子源4和激光放大器，其特点在于，所述的纳秒种子源4具有时序控制装置(图中未示)；所述的激光放大器由侧面泵浦氙灯9、常规水冷聚光腔8和腔内大口径的增益介质棒5构成；在所述的纳秒种子源4和激光放大器之间设有光束口径控制装置，所述的纳秒种子源4、光束口径控制装置和激光放大器共光轴。其中所述的纳秒种子源4，是具有时序控制装置的纳秒激光器，可以通过时序控制装置实现工作和散热周期控制。所述的激光放大器，使用棒状增益介质5，以密封胶圈6、7装配在聚光腔8中，采用氙灯9侧面泵浦抽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能重频热容激光器的控制方法，其特征在于该方法包括：将注入脉冲扩束并限制扩束后的注入光束口径，使注入光的放大限制在增益介质的中心区域，注入光束的口径小于增益介质口径的70％；利用增益介质工作初期中心部分的绝热环境形成类似高能重频热容激光器的工作环境；检测输出波前,在高阶波前畸变的离焦像差分量大于0.2个波长时停止工作，以此确定激光器的工作周期长度，通过计算增益介质的热弛豫时间确定散热冷却周期长度；通过改变注入光束口径获得不同长度的工作周期，缩小注入光束口径延长工作周期。

【技术特征摘要】
1.一种高能重频热容激光器的控制方法，其特征在于该方法包括：将注入脉冲扩束并限制扩束后的注入光束口径，使注入光的放大限制在增益介质的中心区域，注入光束的口径小于增益介质口径的70％；利用增益介质工作初期中心部分的绝热环境形成类似高能重频热容激光器的工作环境；检测输出波前,在高阶波前畸变的离焦像差分量大于0.2个波长时停止工作，以此确定激光器的工作周期长度，通过计算增益介质的热弛豫时间确定散热冷却周期长度；通过改变注入光束口径获得不同长度的工作周期，缩小注入光束口径延长工作周期。2.根据权利要求1所述的高能重频热容激光器的控制方法，其特征在于该方法在增益介质口径不变时，通过缩小注入光束的孔径，可获得更长的工作周期。3.实现权利要求1所述的高能重频热容激光器的控制方法的高能重频热容激光器，包括纳秒种子源(4)和激光放大器，其特征在于，所述的纳秒种子源(4)具有时序控制装置；所述的激光放大器由侧面泵浦氙灯(9)、常规水冷聚光腔(8)和腔内大口径的增益介质棒(5)构成；在所述的纳秒种子源(4)和激光放大器之间设有光束口径控制装置，所述的纳秒种子源(4)、光束口径控制装置和激光放大器共光轴。4.根据权利要求3所述的高能重频热容激光器，其特征在于，所述的光束口径控制装置由依次的同光轴的正透镜(1)、负透镜(2)组合成的等效透镜的焦点与正透镜(3)形成共焦系统，并具有调整所述的正透镜(1)和负...

【专利技术属性】
技术研发人员：张诚，谢兴龙，朱健强，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31