[發明專利]一種具備波前畸變自校正能力的板條激光模塊

有效

• 申請號: 201611129909.2
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106602391B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 劉亮;黃秀軍;周一鳴;趙爽;楊寧虎;徐紅艷;宋鎮江;石德樂;張彬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍航空工程學院;山東航天電子技術研究所
• 主分類號: H01S3/042
• 分類號: H01S3/042;H01S3/09;H01S3/10;H01S3/105
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 郭德忠;李愛英

本發明通過優化熱管理和光路設計，提供一種具備波前畸變自校正能力的板條激光模塊，包括激光反射裝置和作為增益介質的板條介質；所述板條介質兩端的上下兩個表面為無倏逝膜區域，上下表面的中間部分為倏逝膜區域；入射激光L₁從板條介質的無倏逝膜區域進入板條介質內部，并沿板條介質長度方向傳輸，從板條介質另一端的無倏逝膜區域出射；所述激光反射裝置將出射的入射激光L₁再次反射進入板條介質的內部進行第二次傳輸，并從第一次的入射端出射，其中入射激光L₁第二次的入射點位置約束條件為：入射激光L₁兩次通過板條介質時產生的波前畸變波形相反，進而得到消除波前畸變、高功率高光束質量的出射激光。

技術領域

本發明屬于板條激光器和激光放大器技術領域，尤其涉及一種具備波前畸變自校正能力的板條激光模塊。

背景技術

獲得高功率高光束質量的激光輸出一直是固體激光器研究者追求的目標，要同時實現高功率和高光束質量的一個關鍵性問題是如何對固體激光介質進行有效地熱管理。熱管理的內涵包括減小廢熱的產生、高效散熱、補償熱效應的不良影響三個方面的內容。

與傳統棒狀介質相比，板條狀激光介質具有冷卻表面大，zigzag光路傳輸可大大減弱熱效應的不良影響等突出優點，受到高能激光界的高度重視。2009年，美國諾·格公司利用MOPA(激光主振蕩功率放大器)方案結合CCEPS(傳導冷卻端面泵浦板條)模塊，采用7路板條放大鏈，首次實現了105kW的高功率固體激光輸出。2010年，美國達信公司采用陶瓷板條，由6個17kW的ThinZag模塊串聯形成諧振腔，利用自適應系統進行波前的相位校正，單口徑實現了100kW的激光輸出。在國內，不少科研機構基于上述兩種板條激光模塊及其設計思想，開展了高能激光器和放大器技術研究，這些單位包括國防科學技術大學、中國工程物理研究院、華北光電技術研究所、上海光學精密機械研究所等。

從熱管理的角度出發，分析上述兩個方案的優缺點，可得到如下結論：

諾·格公司CCEPS模塊的優點在于采用端面泵浦方案，泵浦效率高，泵浦光模體積和振蕩激光模體積匹配，傳導冷卻方式散熱更均勻，易于實現高光束質量輸出。其缺點在于：

1、考慮到衍射效應，激光在入射端面上的占空比(光斑尺寸與入射面面積之比)必須小于1。為避免出現光束分裂的情況，進一步限制了板條厚度方向的光斑尺寸。為獲得高功率激光輸出，板條介質寬比度厚度大，這導致采用CCEPS激光模塊的激光器和放大器出射激光為細長條形光斑，光學系統復雜度。例如，采用自適應光學技術進行光束質量主動控制時，必須采用多塊柱透鏡對光斑進行整形，這不僅增加了系統結構的復雜度，還增加了調節難度。

2、由于激光束在厚度方向尺寸小，導致激光束在板條激光模塊中單次傳輸時，板條介質內部的填充因子難以達到1。由于板條介質厚度薄，為使填充因子達到1，以獲得高功率激光輸出，激光必須以不同角度進入板條介質至少2次以上。

3、CCEPS模塊中，泵浦光從切有45°的端頭入射，熱沉無法對該區域進行有效制冷。高功率條件下，當板條介質兩端的未摻雜YAG對泵浦光存在較強吸收時，將導致嚴重的端頭熱效應問題。

達信公司ThinZag模塊的優點在于：采用面泵浦方案，在同等泵浦功率條件下，介質內部的熱源密度小、溫度低、熱應力小。其缺點在于：

1、振蕩激光通過冷卻液(一種折射率匹配液)，冷卻液的溫度變化也會對激光波前產生影響。相同溫升條件下，冷卻液的折射率隨溫度的變化比板條折射率隨溫度的變化多一個數量級，且直接液冷容易造成散熱的不均勻，必須深入研究液體冷卻液流動對激光波前的影響。

2、采用直接液冷的方式，為盡可能地帶走激光介質中的熱量，必須增大冷卻液的流速。然而，冷卻液高速流動容易造成結構的振動，導致系統不穩定，水壓導致石英玻璃形變，產生靜態波前畸變。