[发明专利]一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块

说明书

本发明通过优化热管理和光路设计，提供一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块，包括激光反射装置和作为增益介质的板条介质；所述板条介质两端的上下两个表面为无倏逝膜区域，上下表面的中间部分为倏逝膜区域；入射激光L₁从板条介质的无倏逝膜区域进入板条介质内部，并沿板条介质长度方向传输，从板条介质另一端的无倏逝膜区域出射；所述激光反射装置将出射的入射激光L₁再次反射进入板条介质的内部进行第二次传输，并从第一次的入射端出射，其中入射激光L₁第二次的入射点位置约束条件为：入射激光L₁两次通过板条介质时产生的波前畸变波形相反，进而得到消除波前畸变、高功率高光束质量的出射激光。

技术领域

本发明属于板条激光器和激光放大器技术领域，尤其涉及一种具备波前畸变自校正能力的板条激光模块。

背景技术

获得高功率高光束质量的激光输出一直是固体激光器研究者追求的目标，要同时实现高功率和高光束质量的一个关键性问题是如何对固体激光介质进行有效地热管理。热管理的内涵包括减小废热的产生、高效散热、补偿热效应的不良影响三个方面的内容。

与传统棒状介质相比，板条状激光介质具有冷却表面大，zigzag光路传输可大大减弱热效应的不良影响等突出优点，受到高能激光界的高度重视。2009年，美国诺·格公司利用MOPA(激光主振荡功率放大器)方案结合CCEPS(传导冷却端面泵浦板条)模块，采用7路板条放大链，首次实现了105kW的高功率固体激光输出。2010年，美国达信公司采用陶瓷板条，由6个17kW的ThinZag模块串联形成谐振腔，利用自适应系统进行波前的相位校正，单口径实现了100kW的激光输出。在国内，不少科研机构基于上述两种板条激光模块及其设计思想，开展了高能激光器和放大器技术研究，这些单位包括国防科学技术大学、中国工程物理研究院、华北光电技术研究所、上海光学精密机械研究所等。

从热管理的角度出发，分析上述两个方案的优缺点，可得到如下结论：

诺·格公司CCEPS模块的优点在于采用端面泵浦方案，泵浦效率高，泵浦光模体积和振荡激光模体积匹配，传导冷却方式散热更均匀，易于实现高光束质量输出。其缺点在于：

1、考虑到衍射效应，激光在入射端面上的占空比(光斑尺寸与入射面面积之比)必须小于1。为避免出现光束分裂的情况，进一步限制了板条厚度方向的光斑尺寸。为获得高功率激光输出，板条介质宽比度厚度大，这导致采用CCEPS激光模块的激光器和放大器出射激光为细长条形光斑，光学系统复杂度。例如，采用自适应光学技术进行光束质量主动控制时，必须采用多块柱透镜对光斑进行整形，这不仅增加了系统结构的复杂度，还增加了调节难度。

2、由于激光束在厚度方向尺寸小，导致激光束在板条激光模块中单次传输时，板条介质内部的填充因子难以达到1。由于板条介质厚度薄，为使填充因子达到1，以获得高功率激光输出，激光必须以不同角度进入板条介质至少2次以上。

3、CCEPS模块中，泵浦光从切有45°的端头入射，热沉无法对该区域进行有效制冷。高功率条件下，当板条介质两端的未掺杂YAG对泵浦光存在较强吸收时，将导致严重的端头热效应问题。

达信公司ThinZag模块的优点在于：采用面泵浦方案，在同等泵浦功率条件下，介质内部的热源密度小、温度低、热应力小。其缺点在于：

1、振荡激光通过冷却液(一种折射率匹配液)，冷却液的温度变化也会对激光波前产生影响。相同温升条件下，冷却液的折射率随温度的变化比板条折射率随温度的变化多一个数量级，且直接液冷容易造成散热的不均匀，必须深入研究液体冷却液流动对激光波前的影响。

2、采用直接液冷的方式，为尽可能地带走激光介质中的热量，必须增大冷却液的流速。然而，冷却液高速流动容易造成结构的振动，导致系统不稳定，水压导致石英玻璃形变，产生静态波前畸变。