[發明專利]液/氣冷薄片激光器、增益模塊和波前畸變自補償方法

在審

• 申請號: 202010086220.6
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111244732A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 阮旭;易家玉;涂波;胡浩;曹海霞;高清松;張凱
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院應用電子學研究所
• 主分類號: H01S3/04
• 分類號: H01S3/04;H01S3/042
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 陽佑虹

本發明公開了一種液/氣冷薄片激光器、增益模塊和波前畸變自補償方法。增益模塊采用沿流道寬度方向有較高均勻度的冷卻介質直接流過增益介質之間所形成的流道的方法對增益介質進行直接冷卻，其中，冷卻介質為液體冷卻介質和/或氣體冷卻介質；冷卻介質的熱光系數與增益介質的熱光系數極性相反。在此基礎上合理設計固體厚度和冷卻流道厚度關系。增益區前后設置相應的流場勻化裝置用于提升冷卻流場的均勻性，減少由于液體流速不均勻引入的高階相差；在任何流速和產熱情況下均可實現激光增益模塊中晶體和液體的波前畸變成分一致而幅值相反，從而實現波前畸變的自補償，從源頭上減小增益模塊波前畸變的產生。

技術領域

本發明涉及激光器領域，尤其是一種采用冷卻液直接冷卻增益介質的直接液冷薄片激光器中，以及直接采用氣體冷卻增益介質的直接氣冷薄片激光器中，增益模塊波前畸變自補償的方法，以及對應的增益模塊和直接液/氣冷薄片激光器。

背景技術

高平均功率固體激光器在工業和國防領域具有重要的應用前景。傳統的技術路線在實現高平均功率輸出的研制過程中均遇到了不同的技術瓶頸。傳統的薄片激光器中，激光需要多次反射式傳輸，薄片與薄片之間通過4f系統進行像傳遞。使得系統體積龐大，并且薄片的加工和焊接困難，引入的腔內像差大。公開報道中，在功率達到30kW后就沒有進一步的研究。采用MOPA放大的板條激光器，雖然光束質量控制較好，國外報道了最高超過100kW的激光輸出。但是多片板條級聯放大使得系統較為復雜，魯棒性較差。而光纖激光器由于光纖芯徑較小，目前單纖輸出功率僅能達到約10kW。鑒于傳統激光器存在的一系列瓶頸問題，直接液/氣冷薄片激光器憑借其高效的冷卻能力和緊湊的系統結構是實現高平均功率激光輸出的技術路線之一，也是最有潛力實現武器化的固體光源之一。在直接液/氣冷薄片激光器中，大量增益薄片以一定的角度串接于增益模塊內。冷卻介質直接流過薄片間的縫隙進行冷卻。具有冷卻效果好、結構緊湊、易于實現高功率輸出等優點。

但是，在直接液/氣冷薄片激光器中，激光需要反復交替穿過冷卻液和增益介質。導致系統產生了不同于傳統固體激光器的波前畸變，并且波前畸變的數值較大。目前，波前畸變已經成為了制約直接液/氣冷薄片激光器進一步發展的關鍵性問題，導致激光器輸出光束質量較差，難以實際應用。如何減小增益模塊內部的波前畸變成為一個至關重要的問題。

發明內容

本發明的發明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種實現直接液/氣冷薄片激光器增益模塊波前畸變自補償的方法。以通過介質材料的選擇，實現波前畸變自補償，減小直接液/氣冷薄片激光器的波前畸變。

本發明采用的技術方案如下：

一種液/氣冷薄片激光器增益模塊波前畸變自補償方法，所述激光器增益模塊采用冷卻介質直接流過增益介質所形成的流道的方法對增益介質進行冷卻，所述冷卻介質為液體冷卻介質和/或氣體冷卻介質；所述冷卻介質的熱光系數與所述增益介質的熱光系數極性相反。

上述方案選用熱光系數極性相反的增益介質和冷卻介質，兩者所引入的波前畸變相互補償，對直接液/氣冷薄片激光器來講，通過材料的選擇，從源頭上有效減小直接液/氣冷薄片激光器的波前畸變。

進一步的，所述冷卻介質與所述增益介質之間相互對應，對應關系為：所述冷卻介質所引入的波前畸變與所述增益介質所引入的波前畸變絕對值在同一數量級。

同一數量級的波前畸變引入使得兩種介質之間能夠獲得較好的波前畸變自補償效果。

進一步的，所述增益介質為激光晶體。

進一步的，所述增益介質為熱光系數為正的增益介質，所述冷卻介質為熱光系數為負的冷卻介質。

進一步的，所述增益介質為摻雜基質材料為釔鋁石榴石的增益介質，所述冷卻介質為蒸餾水、去離子水或重水中的一種或多種。

進一步的，所述冷卻介質為重水。