一种新型高功率板条激光器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种新型高功率板条激光器系统，所说的高功率板条激光器系统包括激光腔体和级间扩束补偿镜；激光腔体由激光振荡器Ｃ↓［１］，预放大器Ｃ↓［２］和主放大器Ｃ↓［３］构成，激光振荡器、预放大器和主放大器的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，各放置两块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式，激光束经过三次折射进入另一个钕玻璃板条；激光振荡器、预放大器、主放大器之间设置级间扩束补偿镜。该发明专利技术具有能改善输出光束质量，获得高功率的激光光束、氙灯工作寿命长、提高激光束的光束质量的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光加工、激光材料表面处理、激光雷达以及光电对抗等领域， 特指一种新型高功率(千兆瓦级)板条激光器系统，特别适用于要求满足以下运 转条件的激光器系统高重复频率、高功率、长氙灯寿命、低放大的自发辐射(ASE)、微弱波面畸变的高质量光束。
技术介绍
随着激光技术的不断发展，高功率激光器由于具有高效、长寿、体积小、使 用与维护方便等优点，得到了越来越广泛的应用。在民用、军用以及空间通信等 方面，高功率固体激光器的重复率、脉宽、光束质量等因素都会直接影响到加工 的精度和效率。在固体激光器的设计中，激光晶体中热畸变极大地限制了激光器 在大功率下高光束质量的能力。传统的高功率固体激光器采用圆棒状增益介质，这种式样的介质在运转期间，径向温度梯度使棒呈现出热透镜效应、应力感生双 轴聚焦效应和应力感生双折射效应。这些效应严重地影响着激光器的输出功率和光束质量。1969年美国通用电器公司提出板条激光器的概念，他们使用面抽运 的板条状几何结构，通过合理设计，得到比棒状工作物质作为固体激光器更好的 光束质量和更高的平均输出功率。然而在高功率抽运下，板条激光器仍然有热透 镜效应存在。因此，对板条固体激光器的抽运、冷却方式及激光介质、光学谐振 腔还需进行优化设计。早期板条激光器利用闪光灯抽运，因此大都采用面抽运的结构，这种结构是 直接采用水冷来散热的。由于工作物质内温度梯度是一维分布的，只存在垂直于 用于水冷的介质大面的方向上(即；;方向上)。这种一维的热场分布，不易产生 热致双折射从而防止热退偏，但会在竖直方向上产生热透镜效应。为了消除热透 镜的影响。通常板条并不做成方形，而是将两个供振荡激光通过的端面切割成绕 z轴倾斜的布儒斯特角，并将介质的两个大面也抛光，这样振荡激光在板条晶体 内部通过两个大面的全内反射而呈"之"字形传播，使激光在y方向上不同区域 的不均匀热影响相互抵消。从而达到减弱甚至消除热透镜效应的目的。但是这种板条增益介质加工时，要求两个大面的平行度和光洁度都很高，这使加工变得困 难且机械安装也变得复杂。此外，这两个面之间还容易产生寄生振荡，使激光效 率降低。并且采用传统的矩形板条时，类似于圆棒结构，当对激光增益介质板条 进行面冷却并达到热平衡状态时，沿抽运方向的温度分布近似地呈抛物线状，同 样也会出现类似于圆棒结构的光束质量变差等问题。LD的发射光谱可与激光工作介质的吸收带重合，所以与闪光灯抽运源相比， 它具有体积小、重量轻、效率高、热效应少、机械设计简单等优点，因此利用 LD抽运可推动板条固体激光器向更高功率发展。在LD抽运的板条激光器中， 为了克服面抽运结构中抽运面和冷却面重合而造成的机械加工方面的困难，一般 采取端面抽运方式，在这种结构中，抽运光从垂直于冷却表面和激光传播平面的 另一个平面注入，因此和面抽运结构相比，增加了抽运光的吸收长度，提高了抽 运光的利用率。另外这种抽运方式可采用水冷热沉的冷却方式，实现抽运面和玲 却面分离，简化激光头的设计。同时由于冷却液体不直接接触增益介质，不会造 成对板条的污染，整个系统的机械稳定性也有所提高。但是在半导体愁运的板条 结构中，常常采用光纤耦合输出的激光从板条的两个小侧面进行抽运，这样受 LD耦合进光纤的效率的限制，会降低系统的整体效率。在高功率激光系统的设计中，聚光腔是一个不可忽略的重要环节。从光源发 出的光辐射能量转换到在激光工作物质内对增益有用的激发能量的效率对激光 系统的总效率有相当大的影响。激光增益介质中抽运光的分布是三种效应综合的 结果聚光腔的照明特性，介质本身的折射和抽运辐射的非均匀吸收。激活介质 中抽运能量的温度分布、增益分布、饱和效应、阈值能量和板条介质的损伤阈值 等均与介质内抽运光分布有关。聚光腔除了对闪光灯和激光介质之间提供良好的 耦合之外，还决定了激光介质上抽运光的分布，从而影响输出光束质量。现阶段 聚光腔主要采用玻璃或金属制造，但这样的聚光腔具有抽运的不均匀性，加上由 于大注入带来的高热效应，会导致工作介质的严重热畸变，从而引起效率降低， 造成激光输出的不均匀性，影响了激光输出光束的质量，且不利于大功率放大系 统。
技术实现思路
本专利技术的目的是要克服上述缺点，提供一种新型的高功率板条激光器系统， 在尽量减少成本的基础上，获得高重复频率、高功率(千兆瓦级)、低放大的自 发辐射(ASE)、微弱波面畸变的高质量方形光斑激光光束，同时，改进抽运方 式，延长氙灯寿命，进一步提高本激光器系统的经济价值。 本专利技术的技术实现方案如下一种新型的高功率板条激光器系统，包括激光腔体和级间扩束补偿镜；其特 征在于激光腔体由激光振荡器d，预放大器C2和主放大器C3构成，激光振荡 器、预放大器和主放大器的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，各放置两块互相平行的尺 寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式， 激光束经过三次折射进入另一个钕玻璃板条；激光振荡器、预放大器、主放大器 之间设置级间扩束补偿镜。更为具体的方案是在激光振荡器d的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，放置两 块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条PA(n和PAQ2，板条 外侧分别平行放置由大氙灯构成的抽运源，在钕玻璃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，第一钕玻璃激光介质板条PA(H的另一端设有由全反射镜和隔离器构成的放大的自发辐射能量抑制以及靶面反馈激光隔离系统、由KD^普克尔盒和偏振镜构成的调Q系统，第二钕玻璃激光介质板 条PAQ2的另一端设有隔离器和部分透过的耦合输出腔镜，在两钕玻璃激光介质 板条之间流通有温度为1\的冷却水，在第一、第二钕玻璃激光介质板条与抽运 源之间流通有温度为T2的冷却水，并且T^T2，这样通过第一钕玻璃激光介质板 条低温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介质板条的高温一侧，而通过第一钕玻璃 激光介质板条高温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介质板条的低温一侧；从激光 振荡器d的部分透过耦合输出腔镜输出的激光经由柱面透镜构成的级间扩束补 偿镜进行光束匹配后进入预放大器C2中的第一钕玻璃激光介质板条PAU，预放 大器C2的紧抱型陶瓷漫反射腔体中由大氙灯构成的抽运源和钕玻璃激光介质板 条的放置方式与激光振荡器Q完全相同，板条尺寸大于激光振荡器d中的相应 部分，在钕玻璃激光介质板条的一端设有与激光振荡器d中完全相同的三反射 镜倒光系统，激光介质的冷却方式也与激光振荡器C,中的完全相同；从预放大 器C2的第二钕玻璃激光介质板条PA12的另一端输出的激光经全反射镜和级间扩束补偿镜进行光束匹配后进入主放大器C3中的第一钕玻璃激光介质板条PA21， 主放大器C3的紧抱型陶瓷漫反射腔体中由多个小氙灯构成的抽运源和钕玻璃激 光介质板条的放置方式与预放大器C2完全相同，板条尺寸大于预放大器C2中的 板条，在钕玻璃激光介质板条的一端设有与预放大器C2中完全相同的三反射镜 倒光系统，第二钕玻璃激光介质板条PA22的另一端设有调整最终激光输出光斑 大小和形状的柱面扩束镜和会聚透镜，激光介质的冷却方式也与预放大器C2中 的完全相同。本专利技术的优点是1、 使用钕玻璃板条作为激光工作物质；聚光腔采用紧抱型陶瓷漫反射腔。 使用钕玻璃作为激光工作物质，首先可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型高功率板条激光器系统，包括激光腔体和级间扩束补偿镜；其特征在于：激光腔体由激光振荡器Ｃ↓［１］，预放大器Ｃ↓［２］和主放大器Ｃ↓［３］构成，激光振荡器、预放大器和主放大器的紧抱型陶瓷漫反射腔体中，各放置两块互相平行的尺寸、材料和性能相同的钕玻璃激光介质板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式，激光束经过三次折射进入另一个钕玻璃板条；激光振荡器、预放大器、主放大器之间设置级间扩束补偿镜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚红兵，张永康，李国杰，叶霞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]