液/气冷薄片激光器、增益模块和波前畸变自补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种液/气冷薄片激光器、增益模块和波前畸变自补偿方法。增益模块采用沿流道宽度方向有较高均匀度的冷却介质直接流过增益介质之间所形成的流道的方法对增益介质进行直接冷却，其中，冷却介质为液体冷却介质和/或气体冷却介质；冷却介质的热光系数与增益介质的热光系数极性相反。在此基础上合理设计固体厚度和冷却流道厚度关系。增益区前后设置相应的流场匀化装置用于提升冷却流场的均匀性，减少由于液体流速不均匀引入的高阶相差；在任何流速和产热情况下均可实现激光增益模块中晶体和液体的波前畸变成分一致而幅值相反，从而实现波前畸变的自补偿，从源头上减小增益模块波前畸变的产生。

Liquid / gas cooled wafer laser, gain module and self compensation method of wavefront distortion

【技术实现步骤摘要】
液/气冷薄片激光器、增益模块和波前畸变自补偿方法
本专利技术涉及激光器领域，尤其是一种采用冷却液直接冷却增益介质的直接液冷薄片激光器中，以及直接采用气体冷却增益介质的直接气冷薄片激光器中，增益模块波前畸变自补偿的方法，以及对应的增益模块和直接液/气冷薄片激光器。
技术介绍
高平均功率固体激光器在工业和国防领域具有重要的应用前景。传统的技术路线在实现高平均功率输出的研制过程中均遇到了不同的技术瓶颈。传统的薄片激光器中，激光需要多次反射式传输，薄片与薄片之间通过4f系统进行像传递。使得系统体积庞大，并且薄片的加工和焊接困难，引入的腔内像差大。公开报道中，在功率达到30kW后就没有进一步的研究。采用MOPA放大的板条激光器，虽然光束质量控制较好，国外报道了最高超过100kW的激光输出。但是多片板条级联放大使得系统较为复杂，鲁棒性较差。而光纤激光器由于光纤芯径较小，目前单纤输出功率仅能达到约10kW。鉴于传统激光器存在的一系列瓶颈问题，直接液/气冷薄片激光器凭借其高效的冷却能力和紧凑的系统结构是实现高平均功率激光输出的技术路线之一，也是最有潜力实现武器化的固体光源之一。在直接液/气冷薄片激光器中，大量增益薄片以一定的角度串接于增益模块内。冷却介质直接流过薄片间的缝隙进行冷却。具有冷却效果好、结构紧凑、易于实现高功率输出等优点。但是，在直接液/气冷薄片激光器中，激光需要反复交替穿过冷却液和增益介质。导致系统产生了不同于传统固体激光器的波前畸变，并且波前畸变的数值较大。目前，波前畸变已经成为了制约直接液/气冷薄片激光器进一步发展的关键性问题，导致激光器输出光束质量较差，难以实际应用。如何减小增益模块内部的波前畸变成为一个至关重要的问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种实现直接液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿的方法。以通过介质材料的选择，实现波前畸变自补偿，减小直接液/气冷薄片激光器的波前畸变。本专利技术采用的技术方案如下：一种液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿方法，所述激光器增益模块采用冷却介质直接流过增益介质所形成的流道的方法对增益介质进行冷却，所述冷却介质为液体冷却介质和/或气体冷却介质；所述冷却介质的热光系数与所述增益介质的热光系数极性相反。上述方案选用热光系数极性相反的增益介质和冷却介质，两者所引入的波前畸变相互补偿，对直接液/气冷薄片激光器来讲，通过材料的选择，从源头上有效减小直接液/气冷薄片激光器的波前畸变。进一步的，所述冷却介质与所述增益介质之间相互对应，对应关系为：所述冷却介质所引入的波前畸变与所述增益介质所引入的波前畸变绝对值在同一数量级。同一数量级的波前畸变引入使得两种介质之间能够获得较好的波前畸变自补偿效果。进一步的，所述增益介质为激光晶体。进一步的，所述增益介质为热光系数为正的增益介质，所述冷却介质为热光系数为负的冷却介质。进一步的，所述增益介质为掺杂基质材料为钇铝石榴石的增益介质，所述冷却介质为蒸馏水、去离子水或重水中的一种或多种。进一步的，所述冷却介质为重水。进一步的，增益介质前方和/或后方设置有流场匀化装置，所述流场整流匀化装置用于提升冷却流场的均匀性，减小额外高阶像差的引入。所述冷却介质流过增益介质之后还有一段流场匀化装置，避免后端流场的不均匀性对前端增益区流场均匀性产生影响。进一步的，在所述增益介质的晶体流向长度为20mm时，所述增益介质的晶体厚度为1.4±0.5mm，冷却介质的流道厚度为0.1～0.5mm。本专利技术还提供了一种直接液/气冷薄片激光器的增益模块，所述增益模块包括冷却介质，增益介质所述增益介质形成有流道，直接流过所述流道以对所述增益介质进行冷却，所述冷却介质为液体冷却介质和/或气体冷却介质；所述增益介质的热光系数与所述增益介质的热光系数极性相反。上述通过选用热光系数极性相反的增益介质和冷却介质构成薄片激光器的增益模块，使得两种介质所引入的波前畸变相互补偿，从源头上有效减小了直接液/气冷薄片激光器的波前畸变。进一步的，所述冷却介质与所述增益介质之间相互对应，对应关系为：所引入的波前畸变与所述增益介质所引入的波前畸变在同一数量级。进一步的，增益介质前方和/或后方设置有流场匀化装置。所述冷却介质首先流经流场匀化装置，流场均匀性得到提升。所述冷却介质流经流场匀化装置之后直接流过所述流道以对所述增益介质进行冷却。冷却介质流过增益介质之后还有一段流场匀化装置，避免后端流场的不均匀性对前端增益区流场均匀性产生影响。。本专利技术还提供了一种直接液/气冷薄片激光器，该薄片激光器的增益模块为上述的增益模块。上述设计的薄片激光器，通过自身的增益模块，有效减小了波前畸变问题。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、通过本专利技术的方法，优选增益介质和冷却液的种类实现波前畸变的自补偿，可以从源头减小系统的波前畸变。提升激光器的输出功率和光束质量。2、本专利技术实施简单，仅需在原激光器基础上进行简单的改动便可大幅提升系统性能。3、本专利技术由于是在材质上选择的创新，因此，方案稳定，实施可靠。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是直接液/气冷薄片激光器增益模块结构示意图。图中：1是激光增益模块冷却介质入口，2是冷却流场整流装置，3是流场匀化装置，4是增益模块外框，5是激光增益介质前置延长段，6是激光增益介质之间的冷却流道，7是激光增益介质，8是冷却流道内流动的冷却介质，9是激光增益介质后置延长段，10是激光增益模块冷却介质出口。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。实施例一本实施例公开了一种液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿方法。直接液/气冷薄片激光器通常是将薄片固体增益介质直接浸泡在冷却介质中。常用的薄片固体增益介质的基质材料主要有以下几类：1、玻璃；2、氧化物，如蓝宝石、石榴石、氧化铝和硫氧化物；3、磷酸盐和硅酸盐；4、钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐和铍酸盐；5、氟化物；6、陶瓷材料。这些材料中，有部分材料的热光系数为正数，例如钇铝石榴石(YAG)；有部分材料的热光系数为负数，例如氟化钇锂(YLF)。而直接液冷薄片激光器中常用的冷却介质主要有去离子水、重水、四氯化碳、四氯乙烯、硅氧烷、芳香族化合物、卤代烃和各类折射率匹配液。其中较为典型的重水、四氯乙烯和四氯化碳的热光系数均为负数。直接气冷薄片激光器中常用的冷却介质有高速氦气等。本实施例通过对材料特性的分析，优选热光系数极性相反的增益介质和冷却介质：选择热光系数为正数的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿方法，所述激光器增益模块采用冷却介质直接流过增益介质所形成的流道的方法对增益介质进行冷却，所述冷却介质为液体冷却介质和/或气体冷却介质；其特征在于，所述冷却介质的热光系数与所述增益介质的热光系数极性相反。/n

【技术特征摘要】
1.一种液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿方法，所述激光器增益模块采用冷却介质直接流过增益介质所形成的流道的方法对增益介质进行冷却，所述冷却介质为液体冷却介质和/或气体冷却介质；其特征在于，所述冷却介质的热光系数与所述增益介质的热光系数极性相反。


2.如权利要求1所述的液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿方法，其特征在于，所述冷却介质与所述增益介质之间相互对应，对应关系为：所述冷却介质所引入的波前畸变与所述增益介质所引入的波前畸变绝对值在同一数量级。


3.如权利要求1所述的液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿方法，其特征在于，所述增益介质为激光晶体。


4.如权利要求1～3任一所述的液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿方法，其特征在于，所述增益介质为热光系数为正的增益介质，所述冷却介质为热光系数为负的冷却介质。


5.如权利要求4所述的液/气冷薄片激光器增益模块波前畸变自补偿方法，其特征在于，所述增益介质为掺杂基质材料为钇铝石榴石的增益介质，所述冷却介质为蒸馏水、去离子水或重水中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮旭，易家玉，涂波，胡浩，曹海霞，高清松，张凯，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院应用电子学研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51