一种新型高功率板条激光器系统的制作方法

专利名称：一种新型高功率板条激光器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光加工、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。
背景技术：
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。

发明内容
本发明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。 本发明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。本发明的优点是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，首先可以获得光学均匀性良好的大尺度激光工作 物质；其次钕玻璃作为激光工作物质工作物质高能态寿命与荧光谱线宽度值大， 工作物质高能态上可积累的粒子反转数多，从而可在工作物质高能态上贮存的光 能量多，可获得的光放大能量大。采用板条状钕玻璃作为激光工作物质，使得激 光工作物质的温度梯度近似一维分布，从而可以避免热致双折射效应。激光器从 振荡级到预放大级再到主放大级可以方便地逐级增大板条状钕玻璃的尺寸以及 纵横比，增大激光工作物质的散热面，这样可以有效地避免钕玻璃的热炸裂现象； 激光器系统振荡级、预放大级、主放大级之间采用柱面透镜扩束补偿，可以降低 热透镜效应。聚光腔采用紧抱型陶瓷漫反射腔，漫反射聚光腔利用非几何光学反 射成像，把抽运光均匀的反射到激光工作物质上，使激光的质量得到了很大改善， 同时，紧抱型陶瓷聚光腔具有结构简单、良好的化学稳定性、耐高温性、尺寸稳 定性、光漫反射特性、力学性能、成形性能和成形结构的可控性，可以减小工作 介质的热畸变，提高效率，改善输出光束质量，获得高功率的激光光束。2、 激光器系统的充电控制电源采用高频开关型系统，主放大器使用多个小 氙灯抽运，避免使用大氙灯；同时氙灯使用预燃内触发方式工作，提高了氤灯工 作寿命。3、 采用恒温循环全腔水冷，振荡器、预放大器和主放大器均采用两片材料 性质相同的钕玻璃板条，抽运和冷却均使用镜像对称方式；激光束经过三次反射 后，使通过第一钕玻璃激光介质板条低温一侧的光进入第二钕玻璃激光介质板条 的高温一侧，通过这样的设计可以使激光束受热效应的影响导致的波面畸变得到 修正，从而提高激光束的光束质量。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 图1是实现本发明设计的示意图。PA01~PA22:钕玻璃激光介质板条，C1:激光振荡器，C2:预放大器，C3:主 放大器，P卜P2:大氙灯抽运源，P3:多个小氙灯抽运源，CA1:温度为T,的冷 却水，CA2:温度为I2的冷却水，Mo:半透半反耦合输出腔镜，Mi~M12:全反射镜，PI卜PI2:隔离器，PC: KD卞普克尔盒，PP:偏振镜，SL广SL3:柱面扩 束镜，L:会聚透镜具体实施方式
下面结合图1详细说明本发明提出的激光器系统的细节和工作情况。 本发明主要包括激光腔体和级间扩束补偿镜，其中激光腔体由激光振荡器Q，预放大器C2和主放大器C3三部分构成，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PA01和PAo2 ，板条PA(h和PA02外侧分别平行放置由大氙灯构成的抽运源Pi ，在 钕玻璃激光介质板条PA(h和PAo2的一端设有由三块全反射镜M2、 M3、线构成 的三反射镜倒光系统，第一钕玻璃激光介质板条PAcu的另一端设有由全反射镜 和隔离器Ph构成的放大的自发辐射(ASE)能量抑制以及靶面反馈激光隔离 系统、由KD》普克尔盒PC和偏振镜PP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Pl2和部分透过的耦合输出腔镜MQ，在两钕玻 璃激光介质板条之间流通有温度为l的冷却水CA，在第一、第二钕玻璃激光 介质板条PA(h、PAo2与抽运源Pi之间流通有温度为T2的冷却水CA2，并且T-T2， 这样通过第一钕玻璃激光介质板条PAG1低温一侧的光将进入第二钕玻璃激光介 质板条PAG2的高温一侧，而通过第一钕玻璃激光介质板条PAG2高温一侧的光将 进入第二钕玻璃激光介质板条PA(M的低温一侧；从激光振荡器d的部分透过耦 合输出腔镜Mo输出的激光经由柱面透镜构成的级间扩束补偿镜SLi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PAn，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P2和钕玻璃激光介质板条PA 、 PA12 的放置方式与激光振荡器d完全相同，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PAu、 PAu的一端设有三反射镜倒光系统M5、 M6、 M7， 激光介质的冷却方式也与激光振荡器d中的完全相同；从预放大器C2的第二钕 玻璃激光介质板条PA^的另一端输出的激光经全反射镜M8、 M9和级间扩束补 偿镜SL2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P3和钕玻璃激光介质板条PA2卜PA22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PAn、 PA12，在钕玻璃激光介质板条的一端PA2b PA"设有 三反射镜倒光系统Mu)、 Mu、 M12，第二钕玻璃激光介质板条PAn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SL3和会聚透镜L，激光介质 的冷却方式也与预放大器C2中的完全相同。调Q钕玻璃板条激光振荡器Q发出的激光经级间匹配的柱面扩束镜SLi、SL2依次经过预放大器C2、主放大器C3放大后，经过柱面扩束镜SL3和会聚透镜L后获得所需的激光光束。其间激光器系统的聚光腔使用紧抱型陶瓷漫反 射腔，使激光介质被均匀抽运，从而提高激光器系统的效率，改善输出光束质量， 获得高功率的激光光束。激光器系统的冷却采用恒温循环全腔水冷，振荡器d、预放大器C2和主放大器C3均采用两片尺寸、材料和性能相同的钕玻璃板条，抽 运和冷却均使用镜像对称方式；激光束经过三次反射后，使通过第一钕玻璃激光介质板条低温一侧的光进入第二钕玻璃激光介质板条的高温一侧，通过这样的设 计可以使激光束受热效应的影响导致的波面畸变得到修正。激光器系统采用板条 状钕玻璃而没有采用通常的棒状钕玻璃作为激光工作物质，可以使得激光工作物 质的温度梯度近似一维分布，从而可以避免热致双折射效应。激光器从振荡级Q到预放大级C2再到主放大级C3可以方便地逐级增大板条状钕玻璃的尺寸以及 纵横比，增大激光工作物质的散热面，这样可以有效地避免钕玻璃的热炸裂现象；激光器系统振荡级d、预放大级C2、主放大级C3之间采用柱面透镜Sk、 SL2扩束补偿，可以降低热透镜效应。考虑到由靶面反馈回的激光，如果经过放大器 系统再放大后，会对激光器系统造成巨大的破坏，同时为了有效抑制激光器系统的放大自发辐射(ASE)的形成，在设计的高功率板条激光器系统中加入了隔离 器PIb PI2，本系统中使用Cr4+:YAG可饱和吸收体作为被动隔离器，在配合放
大器端面磨斜的条件下，消光比可达10—2 10—3。为了提高激光器系统的工作寿 命，主放大器C3的抽运源P3使用多个小氙灯，避免使用大氙灯，同时氙灯使用 预燃内触发方式工作，这样延长了氙灯的工作寿命，进一步提高本激光器系统的 经济价值。在本激光器系统中，如果钕玻璃激光介质板条PA(H PA22的掺杂浓度为3%，调Q振荡器Ci的钕玻璃激光介质板条PAQ1和PAo2尺寸为4xl2xl50mm，预放 大器C2的钕玻璃激光介质板条PAU、 PAu尺寸为5x20x200mm，主放大器C3 的钕玻璃激光介质板条PA21和PA22尺寸为10x60x350mm，这样的设计一方面可 以降低各钕玻璃板条单位尺寸上面的热堆积，另一方面又可以使激光能量获得足 够大的各级放大。根据以上参数的计算，本激光器系统可以获得不小于40焦耳 的能量，单个脉冲的宽度不大于30纳秒，单次触发功率不小于1.2千兆瓦，处 理速度达到3600平方厘米/小时，同时，放大自发辐射(ASE)可以控制在l焦 耳以内。
权利要求
1、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C1，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。
2、 如权利要求1所说的新型高功率板条激光器系统，其特征在于， 在激光振荡器Q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PAw和PAo2，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'P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PAC2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 Ti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一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C！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中的第一钹玻璃激光介质板条 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d完全相同，板条尺寸大于激光振荡器 G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Q中完全相 同的三反射镜倒光系统，激光介质的冷却方式与激光振荡器d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与预放 大器C2中的完全相同。
全文摘要
本发明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C₁，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。该发明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。
文档编号H01S3/00GK101399424SQ20081015643
公开日2009年4月1日 申请日期2008年10月10日 优先权日2008年10月10日
发明者霞 叶, 姚红兵, 张永康, 李国杰 申请人:江苏大学