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侧泵Nd:YAG浸入式激光器原理样机研制

文章来源:科技信息中心编辑室   时间:2018-05-14 访问数:

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浸入式固体激光器具有热管理能力强、结构紧凑、光束质量好等独特优势,成为实现高功率、高光束质量激光输出的重要发展方向之一。本项目提出了一种新型的浸入式激光器构型,该构型具有较好的工程可实现性和较强的功率定标放大能力。在实验中,通过解决光瞳自补偿、偏振损耗、界面损耗抑制、倾斜自补偿等技术问题,实现了大于9 kW偏振激光输出。

1  新型的侧泵Nd:YAG浸入式激光器构型

相比于端泵浸入式激光器需要多种掺杂浓度激光增益介质的以实现热负载均衡分配的工程复杂性,侧泵方案中泵浦从晶体侧面入射并在其内部全反射,每片增益介质可以使用相同的掺杂浓度,构成泵浦、流场、激光正交布局的方式如图1所示。相比于采用折射率匹配液冷却Nd:YLF激光晶体方案中,大口径Nd:YLF本身生长加工困难,折射率匹配液或者具有较强毒性难于推广应用,或者黏度、导热率等物性参数不良无法获得高效均匀的冷却能力。本项目提出了一种新型的重水折射率失配冷却Nd:YAG晶体方案。方案中,Nd:YAG加工制备相对容易,并充分利用了重水在1 064 nm激光透过率高、黏度小、导热率大等优势,可以实现较低的液体激光吸收和较强的冷却换热能力,但是因为Nd:YAG和重水折射率差异较大,界面存在较强的菲涅耳反射,因此必须使激光以布儒斯特角倾斜入射,但是倾斜入射使激光不断偏折,难于获得较大的交叠效率,新型的晶体布局构型如图2所示,晶体以特定的角度a摆放,使d1sin(qB-a)/sinθB= d2sin(θB+α-π/2)/cosθB,即实现了激光光瞳偏移的自补偿。

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2  激光器物理设计

对于端面泵浦的板条,最大热应力出现在板条端面处smax=aEQmaxd2/12k(1-n),计算可知,晶体端面最大热加载功率密度Qmax将大于250 W/cm3,本项目采用准连续泵浦方案,堆叠两组各20片增益介质,实际的注入泵浦功率远小于安全阈值,即该增益模块为一种低热负载高安全阈度设计。因为重水流场较强的对流换热冷却,该处的重水也远远低于沸点。进一步的,在最极限的热负载条件下,单片晶体的退偏损耗将远小于0.1%(见图3)。此外,因为调试误差、光轴倾斜等因素导致的布儒斯特角失配引起的单片损耗也不会超过0.03%(见图4)。综合这些因素和腔内光学界面损耗,往返损耗约为22%。在准连续泵浦下,峰值泵浦功率高达368 kW,激光器可以高耦合输出率谐振腔运行,抑制腔内损耗的影响。

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因为采用侧面泵浦,受负指数吸收影响,晶体激光孔径上会出现显著的由泵浦功率不均匀导致的温度梯度一维分布,其导致的热致像差分布为

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其球面拟合与残差如图5所示,可见其主体成分为柱面离焦,这种热致像差的影响在稳腔中可以通过谐振腔设计来避免,在非稳腔中可以通过简单光学元件进行校正。另一方面,因为冷却液从晶体一端向另一端流动,在换热过程,流体温度升高,黏滞层增厚,会使冷却能力降低从而导致光轴倾斜,针对这一问题,可将增益介质分为两组,且两组冷却液流动方向相反,使热致倾斜自补偿,维持谐振器的稳定。

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在工程设计中,针对核心元件激光增益模块,采用内外框双层设计(见图6),其中外框实现冷却液密封、泵浦光注入及振荡激光角度、孔径控制,内框实现晶体的低应力装夹、定位及与流道的精密对接。晶体与晶体之间的流道形态决定了流场及冷却特性,侧面泵浦浸入式激光器由于晶体各方向不能大面积遮拦,不能采用传统的金属框定位方式。本项目通过反复工艺尝试,掌握了一种晶体四角粘接垫片精密控制流道厚度的方式,实现了流道厚度公差不大于10 μm,晶体堆叠累计公差不大于20 μm,实现了与分流器的精密对接。

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3  实验研究

根据物理设计和工程设计,搭建了原理样机如图7所示。在解决了泵浦耦合、晶体-非极性液体界面损耗、冷却液气泡排除等工程问题的基础上,利用稳定腔实现了500 Hz,单脉冲能量大于19 J、平均功率大于9 kW偏振激光输出,在非稳腔实验中,也实现了大于9 kW激光输出,并开展了相应光束质量主动控制实验研究。

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