高功率全固態激光多波長光譜合成裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種高功率全固態激光多波長光譜合成裝置，包括：至少兩臺具有不同激光增益介質的高功率子激光器、多波長光譜合成系統，多光譜合成反饋控制系統；所述高功率子激光器中，至少有兩臺具有不同的激光增益介質，可輸出不同波長激光，組成多波長子激光束，所述多波長子激光束經過多波長光譜合成系統進行合束，多光譜合成反饋控制系統為合成裝置提供反饋式控制，實時補償高功率條件下，多波長光譜合成系統熱效應引起的多波長激光束合束后光束離散、光束質量下降。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及全固態激光器領域，尤其涉及高功率全固態激光器光束合成裝置。
技術介紹
高功率全固態激光器(DPL)在先進制造、激光醫療、前沿科學和國家安全等領域有著極為廣闊的應用前景。然而，在獲得高平均功率全固態激光輸出的同時，保持高光束質及穩定性等其它高性能參數運轉是激光技術研究領域的熱點也是難點。目前實現10kW級以上高功率全固態激光輸出的方案主要有：單臺激光器直接振蕩或主振放大技術、以及光束合成技術。對于單臺固體激光器，隨著激光功率的不斷提高，由于受到內部物理因素以及結構因素的限制(如熱效應、非線性效應、損傷閾值等)，使得輸出激光的光束質量非線性下降，因此單臺激光器難以獲得100kW級以上的高光束質量激光輸出。多光束合成技術將多束光合成為一束，有效降低每路子激光的熱載荷，克服了每路子激光由于熱效應引起的光束質量惡化，可以在保持光束質量的同時進一步提高輸出光束的功率，實現亮度的提高，為解決上述難題提供了一條有效途徑，是實現全固態高功率激光器高功率、高光束質量和高轉換效率(“三高”)的一種重要技術手段，受到國際科學界廣泛的興趣，為高功率激光技術研究的一個熱點方向。一般地，光束合成技術分為相干合成技術和非相干合成技術。相干合成技術是指在各路子光束在波長、偏振方向和相位一致的條件下，所有子光束在空間某處相干疊加，從而提高中心光斑亮度。在理想條件下，N束功率相同的子激光相干合成，功率增加N倍，亮度提高N倍。但在實際應用過程中，多光束相干合成存在許多技術問題：相干合成的合成光斑存在較多旁瓣，降低了光束質量與亮度。非相干合成技術是指多束非相干光在近場或遠場簡單地空間疊加，從而獲得高輸出功率。相比于相干合成技術，非相干合成技術無需對各路子激光器的頻率、偏振和相位進行嚴格控制，因此結構簡單、系統穩定，實際應用中相對容易實現，近年來也成為光束合成技術研究的熱點之一。常用的非相干合成技術主要有并偏振合成、并束合成、時序合成和光譜合成。偏振合成對特定偏振態的多束線偏光進行合成，光束合成數量受到一定的限制，并且高功率條件下激光器保偏難以實現，因此偏振合成技術在高功率激光合成實際應用較少。并束合成是將多路激光器簡單地在空間并排排列，各激光器之間沒有空間的干涉效應，只是能量上的一種簡單疊加，并且光束質量隨著組束路數的增加會急劇下降，不利于實際應用。時序合成利用脈沖激光時間特性，將多束脈沖激光合為一束，脈沖合成器件精準控制為該技術面臨很大的巨大挑戰，為100kW級高功率全固態激光技術的重要發展方向。光譜合成(又稱為波長合成)是將一系列波長相近且略有不同的子激光按照一定的分布，經過色散元件(如棱鏡或光柵)色散后空間指向一致，從而實現多束子激光合成。在理想條件下，光譜合成的總輸出功率是單路激光器的N倍，光束質量與子激光器相當，為100kW級高功率全固態激光技術具有潛力的發展方向。
技術實現思路
(一)要解決的技術問題由于色散元件限制，現有高功率光譜合成技術存在以下兩個問題：1)色散元件的頻譜范圍有限，為了獲得較多路數的激光合成，各路子激光只能保持微量的波長差，固體激光波長由能級決定，多個小波長差的高功率(10kW以上)單臺固體激光困難；2)光柵在高功率激光照射下會由于熱效應導致光柵形變及損傷，影響合成光束的光束質量。這使得現有光譜合成難于實現100kW級高功率全固態激光技術。(二)技術方案為解決上述技術問題，本專利技術提供一種高功率全固態激光多波長光譜合成裝置，包括：至少兩臺具有不同激光增益介質的高功率子激光器、多波長光譜合成系統，多光譜合成反饋控制系統；所述高功率子激光器中，至少有兩臺具有不同的激光增益介質，可輸出不同波長激光，組成多波長子激光束，所述多波長子激光束經過多波長光譜合成系統進行合束，多光譜合成反饋控制系統為合成裝置提供反饋式控制，實時補償高功率條件下，多波長光譜合成系統熱效應引起的多波長激光束合束后光束離散、光束質量下降。進一步地，所述高功率子激光器可以為：至少一臺Nd:YAG晶體高功率子激光器、至少一臺Yb:YAG晶體高功率子激光器；所述Nd:YAG晶體與所述Yb:YAG晶體為不同激光增益介質，輸出不同激光波長，組成多波長激光器；當所述Yb:YAG高功率子激光器數量大于一臺時，子激光器輸出波長不同，波長位于1030nm-1080nm；或者，至少一臺Nd:YAG晶體高功率子激光器、至少一臺Nd:YAG陶瓷高功率子激光器組合而成；由于Nd:YAG晶體與Nd:YAG陶瓷激光增益介質結構不同，子激光器輸出功率數千瓦及以上功率時，Nd:YAG晶體高功率子激光器與Nd:YAG陶瓷高功率子激光器的激光增益介質最高溫度差可達數十至數百攝氏度，對于Nd:YAG激光增益介質而言，波長隨溫度變化率為0.004nm/℃，因此相同摻雜濃度的Nd:YAG晶體高功率子激光器與Nd:YAG陶瓷高功率子激光器波長差0.4nm-1nm，從而組成多波長激光器；或者，至少一臺Nd:YAG晶體高功率子激光器、至少一臺高摻雜摻雜(大于1at％)Nd:YAG陶瓷高功率子激光器；由于高摻雜摻雜條件下，Nd:YAG陶瓷材料輻射光譜展寬，可精選出與Nd:YAG晶體波長不同的激光，從而組成多波長激光器；進一步地，所述多波長光譜合成系統為：光柵或者光學鏡片；進一步地，所述多光譜合成反饋控制系統為：由激光波前探測器、反饋系統、波長控制系統、以及波長調控器件組成；激光波前探測器實時監測合束后激光的波前信息，所述波前信息經反饋系統傳輸至波長控制系統，波長控制系統經數據分析后對子激光器的波長調控器件進行反饋式控制，改變子激光器的輸出波長，從而校正熱效應導致的光束離散及光束質量惡化；進一步地，所述波長調控器件為：標準具。(三)有益效果可見，本專利技術提供的高功率全固態激光多波長光譜合成裝置，采用具有不同激光材料的激光器實現多波長光譜合成，可實現高效穩定光譜合成，該光譜合成技術可降低現有光譜合成技術對子激光器光譜的要求，同時通過反饋式控制子激光器的波長，實時校正合束系統熱效應導致的光束離散及光束質量惡化，實現滿足應用需求的100kW級高功率全固態激光輸出。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高功率全固態激光多波長光譜合成裝置，其特征在于，包括：至少兩臺具有不同激光增益介質的高功率子激光器、多波長光譜合成系統，多光譜合成反饋控制系統；?所述高功率子激光器中，至少有兩臺具有不同的激光增益介質，可輸出不同波長激光，組成多波長子激光束，所述多波長子激光束經過多波長光譜合成系統進行合束，多光譜合成反饋控制系統為合成裝置提供反饋式控制，實時補償高功率條件下，多波長光譜合成系統熱效應引起的多波長激光束合束后光束離散、光束質量下降。

【技術特征摘要】
1.一種高功率全固態激光多波長光譜合成裝置，其特征在于，包括：至少兩臺具有不同激光增益介質的高功率子激光器、多波長光譜合成系統，多光譜合成反饋控制系統；
所述高功率子激光器中，至少有兩臺具有不同的激光增益介質，可輸出不同波長激光，組成多波長子激光束，所述多波長子激光束經過多波長光譜合成系統進行合束，多光譜合成反饋控制系統為合成裝置提供反饋式控制，實時補償高功率條件下，多波長光譜合成系統熱效應引起的多波長激光束合束后光束離散、光束質量下降。
2.根據權利要求1所述的高功率全固態激光多波長光譜合成裝置，其特征在于，所述高功率子激光器可以為：
至少一臺Nd:YAG晶體高功率子激光器、至少一臺Yb:YAG晶體高功率子激光器；所述Nd:YAG晶體與所述Yb:YAG晶體為不同激光增益介質，輸出不同激光波長，組成多波長激光器；當所述Yb:YAG高功率子激光器數量大于一臺時，子激光器輸出波長不同，波長處于1030nm-1080nm范圍內；
或者，
至少一臺Nd:YAG晶體高功率子激光器、至少一臺Nd:YAG陶瓷高功率子激光器組合而成；由于Nd:YAG晶體與Nd:YAG陶瓷激光增益介質結構不同，子激光器輸出數千瓦及以上功率時，Nd:YAG晶體高功率子激光器與Nd...

【專利技術屬性】
技術研發人員：許祖彥，薄勇，申玉，宗楠，彭欽軍，徐一汀，徐健，許家林，高宏偉，
申請(專利權)人：中國科學院理化技術研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11