一种高平均功率、高重频大能量纳秒脉冲固体激光器

摘要

本发明提供一种高平均功率、高重频大能量纳秒脉冲固体激光器，包括：共焦非稳谐振腔；可饱和吸收体模块，所述可饱和吸收体模块包括激光晶体和冷却铜热沉；漂白激光器，所述漂白激光器垂直照射在可饱和吸收体上；若干个激光增益模块，所述若干个激光增益模块依次设置在共焦非稳谐振腔内部，任意所述激光增益模块包括激光介质、冷却铜热沉、二极管叠阵泵浦源以及二维柱面整形透镜组，经过二维柱面整形透镜组整形后的重频脉冲泵浦光垂直照射所述激光介质的正面，所述激光介质的背面焊接于冷却铜热沉上。本发明可以对单腔振荡激光器进行脉冲调制，实现平均功率数千瓦的，脉冲能量高达10J量级的纳秒脉冲激光输出。

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲激光技术领域，具体而言，尤其涉及一种高平均功率、高重频大能量纳秒脉冲固体激光器。

背景技术

大脉冲纳秒级能量激光在众多领域具有广泛应用，例如冲击强化、托克马克实验中测量等离子体温度的汤姆逊散射的光源、远距离探测的照明光等。其中冲击强化应用最为广泛。经过冲击强化处理后，元件的使用寿命通常可以提高十倍以上。适用于高铁的轴承、飞机螺旋桨叶片、机床刀具等易磨损部件。但是在我国，利用激光冲击强化技术提高关键元器件并不普及。主要原因是目前用于冲击强化的激光器通常使用闪光灯泵浦的大能量脉冲固体激光。其脉冲能量可以达到10焦耳量级，但是重频通常在1-10Hz范围。冲击强化一个元件，特别是像螺旋桨叶片这类比较大的元件，耗时非常长，从而大幅度降低了冲击强化的实际应用价值。因此，亟待研发一种高重频大能量纳秒脉冲脉冲激光器，以满足其在工业应用、科研前沿等方面的迫需求。

目前的大能量纳秒脉冲激光器主要包括两大类：(1)闪光灯泵浦脉冲固体激光器，其特点是脉冲能量比较大。但是，重频通常小于10Hz，平均功率通常小于100W。(2)MOPA方式的二极管泵浦脉冲固体激光器，其最高平均功率可达1kW，重频可达数百Hz，脉冲能量通常在1-5J范围，是采用MOPA(1级振荡加4-5级放大)方式实现的。如果需要更高重频或者更大脉冲能量的激光器，上述两种方法都面临着重大挑战。

发明内容

根据上述提出的现有激光器难于实现大脉冲能量、高重频的技术问题，而提供一种高平均功率、高重频大能量纳秒脉冲固体激光器。本发明采用大口径激光增益介质和大口径可饱和吸收体实现二极管泵浦的高平均功率固体激光的脉冲调制，并且使用1μm波段小能量的重频固体激光器作为主动漂白激光，提高被动调Q的重复频率和脉冲能量的稳定性。最终实现数千瓦级平均功率单腔振荡纳秒脉冲固体激光。

本发明采用的技术手段如下：

一种高平均功率、高重频大能量纳秒脉冲固体激光器，包括：

共焦非稳谐振腔；

可饱和吸收体模块，所述可饱和吸收体模块包括激光晶体和冷却铜热沉，所述激光晶体的正面用于承接漂白激光、背面焊接于冷却铜热沉上；

漂白激光器，所述漂白激光器垂直照射在可饱和吸收体模块上，用以对可饱和吸收体进行主动漂白；

若干个激光增益模块，所述若干个激光增益模块依次设置在共焦非稳谐振腔内部，任意所述激光增益模块包括激光介质、冷却铜热沉、二极管叠阵泵浦源以及二维柱面整形透镜组，经过二维柱面整形透镜组整形后的重频脉冲泵浦光垂直照射所述激光介质的正面，所述激光介质的背面焊接于冷却铜热沉上。

进一步地，所述激光介质采用90.8×60×5mm

所述激光介质的背面镀有808nm波长0°高反膜和1064nm 23°高反膜，并焊接在铜热沉上，正面镀808nm波长0°増透膜和1064nm 45°増透膜，侧面采用粗糙化处理。

进一步地，所述二极管叠阵泵浦源是中心波长为808nm二极管叠阵，二极管叠阵的峰值功率为30kW，运行模式是重频脉冲，最高占空比为10％；

所述二维柱面整形透镜组包括快轴准直柱面透镜和慢轴准直柱面透镜；

所述相邻激光增益模块的二极管叠阵泵浦源，其快轴间隔设置为水平方向和竖直方向。

进一步地，所述可饱和吸收体模块的激光晶体为一个掺杂Cr

进一步地，所述漂白激光器为500Hz脉冲固体激光器；通过时间同步器控制漂白激光器激光与二极管叠阵泵浦源同步。

进一步地，所述共焦非稳谐振腔为放大率M＝1.1的正支共焦非稳腔，包括输出耦合镜和凹面高反镜，所述输出耦合镜一面为凸面、另一面为凹面；

所述输出耦合镜外径为90mm，腔镜两面的曲率半径均为30m；

所述输出耦合镜的凸面的镀膜区域正中心反射率为95％，在边长为52mm的正方形上的反射率为70％，其反射率按照高斯线性变化；在边长为56mm正方形区域以外的区域镀增透膜，两者之间为反射率过渡区；

所述输出耦合镜的凹面镀1064nm增透膜，凹面高反镜外径为90mm，凹面镀有1064nm高反膜。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种平均功率数千瓦的二极管泵浦单腔振荡高重频大能量纳秒脉冲固体激光器，其原理是通过大口径激光晶体和可饱和吸收体被动脉冲调Q实现纳秒脉冲输出；通过增加可饱和吸收体调制深度(降低可饱和吸收体的初始透过率)提升激光晶体的储能，从而提高脉冲能量；使用1μm波段高重频脉冲激光器主动漂白改善频率稳定性、脉冲能量稳定性，并且进一步压缩激光脉宽，提高脉冲能量；使用高斯镜与非稳腔设计相结合实现高光束质量实心光斑输出。更高平均功率的大能量纳秒脉冲激光器，可以通过适当降低激光介质掺杂浓度，增大激光晶体和可饱和吸收体口径，同时增大增益模块数量实现。在此基础上，还可以采用MOPA方式进一步提升激光的单脉冲能量。

基于上述理由本发明可在冲击强化、等离子测量以及远距离探测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高平均功率、高重频大能量纳秒脉冲固体激光器结构示意图。

图2为本发明四周键合无掺杂YAG晶体的Nd:YAG晶体示意图。

图3为本发明输出耦合镜凸面镀膜区域示意图。

图4为本发明反射区不同位置处的反射率曲线。

图中：1、凹面高反镜；2、可饱和吸收体；3、冷却铜热沉；4、漂白激光器；5、激光介质；6、二极管泵浦源；7、两维柱面整形透镜组；8、高斯输出耦合镜。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种高平均功率、高重频大能量纳秒脉冲固体激光器，包括若干个激光增益模块、一个可饱和吸收体模块、一个漂白激光器以及一套共焦非稳谐振腔。

作为本发明较佳的实施方式，优选激光增益模块的个数为8个。每个激光增益模块包括一块Nd：YAG晶体、一个冷却铜热沉、一个二极管叠阵泵浦源和一套二维柱面整形透镜组。

具体来说，激光介质采用90.8×60×5mm

二极管叠阵泵浦源是中心波长为808nm二极管叠阵，二极管叠阵的峰值功率为30kW，运行模式是重频脉冲，最高占空比为10％，典型的设置为200μs×500Hz。泵浦光整形系统为二维柱面整形透镜组，其包括：快轴准直柱面透镜(FAC)、慢轴准直柱面透镜(SAC)，确保超过95％的泵浦光可以照射在90.8×60mm

作为本发明较佳的实施方式，可饱和吸收体模块包括，一个掺杂Cr

作为本发明较佳的实施方式，漂白激光器使用一台500Hz脉冲固体激光器垂直照射在可饱和吸收体，脉冲能量不小于40mJ，脉宽在约10ns量级。并且采用凸透镜聚焦漂白激光，使可饱和吸收体前表面上的光斑直径约为2mm。通过时间同步器控制漂白激光器激光与二极管叠阵泵浦源同步，漂白激光脉冲起始点时间比二极管叠阵泵浦源的驱动电流脉冲起点大约延迟200μs。其特征在于漂白激光器可以降低(甚至消除)常规可饱和吸收体被动调Q所带来的重频不稳定性和脉冲能量不稳定性，使其重频稳定性与能量稳定性这两个指标与主动调Q激光器相当；主动漂白可饱和吸收体还可以大幅度缩短调Q开关的开启时间，从而压缩激光脉冲宽度，同时降低损耗，大幅度提高脉冲能量。

作为本发明较佳的实施方式，共焦非稳谐振腔为放大率M＝1.1的正支共焦非稳腔，包括一个月牙形(一面为凸面、另一面为凹面)输出耦合镜和一个凹面高反镜。其中输出耦合镜外径为90mm，腔镜两面的曲率半径均为30m。其凸面的镀膜区域形状以及其对1064nm的反射率曲线如图3-4所示。区域正中心反射率为95％，在边长为52mm的正方形上的反射率为70％，其反射率按照高斯线性变化。在边长为56mm正方形区域以外的区域镀增透膜，两者之间为反射率过渡区。耦合镜的凹面镀1064nm增透膜。凹面高反镜外径为90mm，凹面镀有1064nm高反膜；典型曲率半径为33m，非稳腔腔长1.5m。其等效输出耦合率约为30％，可以形成近平顶光斑分布。

需要说明的是，在本发明中，增益模块数量可以增加，相应地需要降低掺杂浓度、增大激光增益晶体和可饱和吸收体的口径、降低可饱和吸收体的初始透过率、增加共焦非稳腔的放大率和等效输出耦合率，最终可以实现更高平均功率和更大能量的纳秒脉冲激光输出。

下面通过具体的应用实例，对本发明的方案做进一步说明。

实施例1

本发明的第一种实施方式如图1所示，本实施例提供的一种高平均功率、高重频大脉冲能量的纳秒脉冲激光器，包括：包括：凹面高反镜1、可饱和吸收体模块、漂白激光器4、8个激光增益模块、高斯输出耦合镜8。

所述激光增益模块系统包括：激光晶体5、冷却铜热沉3、二极管泵浦源6和两维柱面整形透镜组7。激光晶体是一个尺寸为94.8×64×5mm

可饱和吸收体模块系统包括：一个尺寸为94.8×64×5mm

基于以上技术方案，优选的，一个腔镜采用外径为90mm的月牙形(一面为凸面、另一面为凹面)设计，腔镜两面的曲率半径均为30m。其凸面的镀膜区域形状以及其对1064nm的反射率曲线如图3所示。区域正中心反射率为95％，在边长为52mm的正方形上的反射率为70％。在边长为56mm正方形区域以外的区域镀增透膜，两者之间为反射率过渡区。耦合镜的凹面镀1064nm增透膜。另一个腔镜镜采用外径为90mm的平凹透镜，凹面镀有1064nm高反膜；典型曲率半径为33m，非稳腔腔长1.5m。在热负载忽略不计的条件下，恰好可以形成放大率M＝1.1的非稳腔。再结合输出耦合镜的高斯反射膜，其等效输出耦合率约为30％。由于激光泵浦的不均匀性会产生微小的透镜效应，可以通过精细的调节腔长，实现共焦。预期可以实现平均功率为5kW(10J/500Hz)的纳秒级脉冲激光输出，输出光斑为60×60mm

实施例2

本发明的第二种实施方式如图1所示，本发明提供了本发明提供了一种高平均功率、高重频大脉冲能量的纳秒脉冲激光器，仅有二极管泵浦源(6)不同，其他均与实施例1相同。所述泵浦源采用中心波长为885nm二极管叠阵，其光谱半高宽为3nm。

885nm二极管泵浦具有比808nm泵浦更小的热效应，每个激光模块的热效应更小，因此可以采用更高重频(600Hz)运行，从而实现更高平均功率(6kW)脉冲激光输出。

实施例3

本发明的第三种实施方式如图1所示，本实施例提供的一种高平均功率、高重频大脉冲能量的纳秒脉冲激光器。激光增益模块依然选择8个模块设计。其中增益介质采用2.5％掺杂Yb：YAG晶体。激光晶体是一个尺寸为36.5×24×5mm

所述可饱和吸收体模块设计中Cr

光学谐振腔的一个腔镜采用直径为35mm的月牙形(一面为凸面、另一面为凹面)腔镜，腔镜两面的曲率半径均为30m。其凸面的镀膜区域形状以及其对1030nm的反射率曲线与图3类似。区域正中心反射率为95％，在边长为17mm的正方形上的反射率为70％。在边长为18.5mm正方形区域以外的区域镀增透膜，两者之间为反射率过渡区。耦合镜的凹面镀1030nm增透膜。另一个腔镜镜采用外径为35mm的平凹透镜，凹面镀有1030nm高反膜；典型曲率半径为33m，非稳腔腔长1.5m。在热负载忽略不计的条件下，恰好可以形成放大率M＝1.1的非稳腔。再结合输出耦合镜的高斯反射膜，其等效输出耦合率约为30％。由于激光泵浦的不均匀性会产生微小的透镜效应，可以通过精细的调节腔长，实现共焦。预期可以实现平均功率为5kW(50J/100Hz)的纳秒级脉冲激光输出，输出光斑为20×20mm

综上所述，本发明为了高平均功率、大能量纳秒脉冲固体激光器的研究空白，采用大口径激光增益介质和大口径可饱和吸收体实现二极管泵浦的高平均功率固体激光的脉冲调制，并且使用1μm波段小能量的重频固体激光器作为主动漂白激光，提高被动调Q的重复频率和脉冲能量的稳定性。最终实现数千瓦级平均功率单腔振荡纳秒脉冲固体激光。该激光在冲击强化、等离子测量、远距离探测等工业应用和科学前沿探索方面有着重要的应用价值和发展前景。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。