CN105071198B - 一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置及方法的技术方案，该方案包括有激光增益模块、折射率匹配液、外窗口、第一机械固定件；激光增益模块包括有激光增益介质、第二机械固定件和内窗口；激光增益介质和内窗口固定在第二机械固定件上；内窗口和激光增益介质之间以及激光增益介质和激光增益介质之间的空间填充有冷却液；第一机械固定件设置在激光增益模块的外侧；外窗口设置在第一机械固定件上；外窗口与激光增益模块之间填充有折射率匹配液。该方案能够有效消除内窗口形变所导致的波前畸变。

Description

一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置 及其方法

技术领域

本发明涉及的是激光器模块像差消除技术，尤其是一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置及方法。

背景技术

高能固体激光器在医疗、工业和军事领域有着重要的应用。然而激光器在运行时会产生大量的废热，这些废热往往会诱导许多热效应，比如热透镜效应，热致双折射效应和热应力等，这些热效应很大程度上限制了激光器功率的进一步提升以及造成光束质量的严重恶化。因此固体激光器的热管理在激光技术领域显的尤为重要。近年来出现了许多新型的装置结构，用于实现对激光器的热管理，提高激光器的散热能力。

直接液冷固体激光器就是在这样的大背景下出现的一种能够实现比较高效、及时散热的激光器。这类激光器通常由增益模块、泵浦源、谐振腔组成；增益模块通常由大孔径的增益介质，冷却液，单层窗口和机械固定件组成。多片增益介质平行放置，介质与介质之间充满液体，通常冷却液以一定的速度流动带走晶体产生的废热，增益模块两端由窗口密封。其优势在于增益介质完全浸没在冷却液中，冷却液通过外循环装置，迅速带走增益介质表面的余热，很好的实现热管理，同时增益介质可以数片乃至数十片的串接在一起与冷却液共同组成一个增益模块，整个增益模块体积可以非常小。同时由于激光是透射式通过整个增益模块，避免了传统固体增益介质（薄片、板条）焊接到冷却器时带来的表面形变，以及由于反射式提取带来的光轴漂移等诸多问题。

如前文所述，由于是透射式模块，激光运行时将通过整个增益模块中的每一片增益介质和增益介质之间的流体以及窗口，而增益介质两旁是冷却液填充，因此，即使晶体在装夹时产生一定的形变，由于冷却液的折射率选择和晶体的折射率通常比较接近，光通过变形的晶体和冷却液后光程差基本没有变化，因此不会造成整个模块的波前畸变。这与增益模块的窗口不同，窗口内为冷却液而外层是直接与空气接触的，因此窗口发生形变将直接造成激光通过模块后光程差不再相同，即所谓的模块产生波前畸变。例如，当冷却液在模块内高速流动时，由于模块窗口承受了很大的压力而由平面变成了球面，此时整个模块类似于一个凸透镜，透镜里面是液体、增益介质和窗口，这三者折射率可以基本看成相等，而外面是空气，其折射率远小于上述三种物体。当激光通过此类类似于透镜的模块时会附加很大的离焦和球差相位。这就是激光器增益模块因窗口形变所造成波前畸变的成因。

造成窗口形变的因素通常有两种，其一是装夹应力造成，其二是液体在流动时由于窗口承受很大的压力也会造成窗口形变。这些形变将导致直接液冷固体激光模块产生很大的波前畸变，影响激光器功率的输出。在激光器工作状态下，窗口形变造成的模块波前畸变有时甚至可以达到热对模块造成波前畸变的程度。特别是激光器在非稳腔工作模式下，其对光束质量的影响更是不可忽视。

综上所述，如何减弱甚至消除激光器增益模块因窗口形变所造成的波前畸变至关重要。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置及方法的技术方案，该方案能够有效消除内窗口形变所导致的波前畸变。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置，包括有激光增益模块、折射率匹配液、外窗口、第一机械固定件；激光增益模块包括有激光增益介质、第二机械固定件和内窗口；激光增益介质和内窗口固定在第二机械固定件上；内窗口和激光增益介质之间的空间填充有冷却液；第一机械固定件设置在激光增益模块的外侧；外窗口设置在第一机械固定件上；外窗口与激光增益模块之间填充有折射率匹配液。

作为本方案的优选：外窗口通过胶水黏结在第一机械固定件上。

作为本方案的优选：外窗口的横向通光尺寸大于内窗口的横向通光尺寸。

作为本方案的优选：激光增益介质为Nd:YAG晶体或Nd:YLF晶体。

作为本方案的优选：冷却液为水或重水或四氯化碳液体；所述激光增益介质浸在冷却液中，冷却液流过激光增益介质表面。

一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的方法，包括以下步骤：

步骤一、选取外窗口，外窗口的横向通光口径要大于内窗口的横向通光口径，以确保通过内窗口的激光都能通过外窗口；

步骤二、用胶水将外窗口黏结在第一机械固定件上；

步骤三、将冷却液注入激光增益介质和内窗口之间的空间，并使冷却液保持循环流动；

步骤四、将折射率匹配液注入外窗口和内窗口之间的空间。

作为本方案的优选：折射率匹配液的折射率为n1，冷却液的折射率为n2，内窗口的折射率为n3，空气的折射率为n4，|n1-n2|＜n2-n4。

作为本方案的优选：n1=n2=n3。

作为本方案的优选：冷却液为水或重水或四氯化碳液体。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中外窗口与第一机械固定件之间的连接采用胶水粘连，外窗口不会因装夹应力而发生形变，同时由于外窗口中匹配液不流动，内部无压力，不会造成外窗口变形。同时在外窗口和内窗口之间填充有折射率匹配液，并且折射率匹配液的折射率为n1，冷却液的折射率为n2，内窗口的折射率为n3，当|n1-n2|＜n2-n4时，即使内窗口发生形变，波前畸变能够部分消除；当n1=n2=n3时，波前畸变能够完全消除。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1是传统的直接液冷固体激光器增益模块装置的结构示意图；

图2是本发明的直接液冷固体激光器增益模块装置的结构示意图；

图3是传统的直接液冷固体激光器单增益介质双流道增益模块装置的结构示意图；

图4是本发明的直接液冷固体激光器单增益介质双流道增益模块装置的结构示意图；

图5是传统的直接液冷固体激光器单增益介质双流道增益模块装置窗口内冷却液静止时波前测量结果；

图6是本发明的直接液冷固体激光器单增益介质双流道增益模块装置窗口内冷却液静止时波前测量结果；

图7是传统的直接液冷固体激光器单增益介质双流道增益模块装置窗口内冷却液平均流速为6m/s时波前测量结果；

图8是本发明的直接液冷固体激光器单增益介质双流道增益模块装置窗口内冷却液平均流速为6m/s时波前测量结果。

图中，1为激光增益模块，2为折射率匹配液，3为外窗口，4为胶水，5为第一机械固定件，6为第二机械固定件，7为激光增益介质，8为冷却液，9为内窗口。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，为传统的直接液冷固体激光器增益模块(1)，包括第二机械固定件(6)、激光增益介质(7)、冷却液(8)、内窗口(9)。激光增益介质(7)完全浸入在冷却液(8)中，冷却液(8)通过外循环将激光增益介质(7)表面的热量带走，第二机械固定件(6)主要用于固定激光增益介质(7)和内窗口(9)，以及确保激光增益介质(7)与激光增益介质(7)之间的间距以及激光增益介质(7)与内窗口(9)之间的间距。流道的厚度以及冷却液的厚度根据实际的泵浦功率和泵浦方式而定，可以从微米量级到厘米量级。在传统的增益模块中，由于机械装夹应力以及冷却液快速流动，增益模块内压力比较大，如图1中内窗口(9)发生了变形，增益模块类似于一个厚透镜。当激光通过此增益模块时，激光波前将发生畸变。

如图2所示，为本发明的能消除直接液冷激光器增益模块窗口因形变造成的波前畸变的装置。包括固体激光器增益模块(1)，折射率匹配液(2)，外窗口(3)，胶水(4)，第一机械固定件(5)。增益模块(1)与图1中传统的激光增益模块(1)相同，包括第二机械固定件(6)、激光增益介质(7)、冷却液(8)、内窗口(9)。如前文所述，传统的增益模块，内窗口会发生形变，造成波前畸变。本发明在内窗口外加了一个外窗口，两窗口之间装入折射率匹配液，匹配液折射率为n1，冷却液折射率为n2，内窗口折射率为n3，空气折射率为n4，匹配液的折射率需满足一定的条件，理论上当折射率满足n1=n2=n3时，窗口形变所造成的波前畸变能够完全消除，当满足|n1-n2|＜n2-n4时，波前畸变能部分消除。增益介质完全浸入在冷却液体中，冷却液通过外循环将增益介质表面的热量带走，第二机械固定件主要用于固定增益介质和内窗口，以及确保增益介质与增益介质之间的间距以及增益介质与内窗口之间的间距。由于机械装夹应力以及冷却液快速流动，增益模块内压力比较大，从而造成了内窗口变形，增益模块类似于一个厚透镜。但是由于增加了外窗口和匹配液，内窗口外面不再是空气，当满足上述的折射率匹配条件时，激光通过整个装置时，将不再有波前畸变或者波前畸变将部分消除。

一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的方法包括如下步骤：

1）选择折射率匹配液，匹配液折射率为n1，冷却液折射率为n2，内窗口折射率为n3，空气折射率为n4，匹配液的折射率需满足一定的条件，理论上当折射率满足n1=n2=n3时，窗口形变所造成的波前畸变能够完全消除，当满足|n1-n2|＜n2-n4时，波前畸变能部分消除；

2）选取外窗口，外窗口横向通光口径要大于内窗口，以确保通过内窗口的激光都能通过外窗口。并且外窗口与机械件之间的连接采用胶水，从而避免了外窗口与机械件装夹时造成外窗口形变。

下面结合具体实施例介绍本发明的一种消除激光器增益模块因窗口形变所造成的波前畸变的装置及其方法。

实施例

如图3所示，为一个双流道单增益介质的激光器增益模块，中间为单片激光增益介质(7)，两边为冷却液(8)，流道厚度为0.5mm，晶体厚度为2mm，流道外面是内窗口(9)，冷却液采用了去离子水。激光增益模块未进行泵浦，即下文数据都是在冷流场情况下测得的。如图5所示为液体静止未流动时，增益模块波前畸变分布图，此时由于冷却液未流动，引起波前畸变的主要原因是装夹应力造成的窗口变形。此时测得波前峰谷值（pv）为7.50μm，均方根值（RMS）为1.35μm。图7所示为液体流动时，增益模块波前畸变分布图，流速为6m/s。此图中，我们已经将冷却液静止时增益模块的波前畸变作为本底减去。即测量得到的波前畸变完全由于液体流动本身以及液体压力造成窗口形变引起。而液体在未受热时，其本身的流动对波前造成的畸变量主要是高频分量，而且非常小，RMS小于0.1μm,可以忽略不计。所以图7的波前畸变可认为是由于冷却液快速流动造成内窗口承受很大的压力从而产生形变，其PV值为7.66μm，RMS为1.76μm。

在具体实施方式中，采用了如图4所示的装置。增益模块(1)与图3相同，在增益模块外面加了一个外窗口，在外窗口和内窗口之间为0.5mm厚的匹配液(3)，匹配液(3)和冷却液(8)都采用了去离子水。如图6所示，为本发明装置，液体静止未流动时，模块波前畸变，测量状态与图5测量时完全一样，测得的波前PV为1.97μm，RMS为0.43μm。如图8所示，为本发明装置，测量状态与图7测量时完全一样，所测得的波前分布图，波前PV为0.24μm，RMS为0.03μm。

由图5和图6可以看出，采用本发明的装置，增益模块因装夹应力造成的内窗口变形从而引起的波前畸变很大程度上得到了控制。波前PV值从7.50μm降低到了1.97μm，波前RMS值从1.35μm降低到了0.43μm。同理由图7和图8可以看出，因冷却液压力造成的内窗口形变而引起的波前畸变也大幅度得到消除，在流速为6m/s时，波前PV值从7.66μm降低到了0.24μm，波前RMS值从1.76μm降低到了0.03μm。从上述实验结果来看，本发明装置在消除激光器增益模块因窗口变形造成的波前畸变是十分有效的。但两种情况下，波前畸变都并未完全消除，主要原因是水的折射率为1.33，而内窗口的折射率为1.45，两种折射率不完全相同而造成的。

Claims (7)

1.一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置，其特征是：包括有激光增益模块、折射率匹配液、外窗口、第一机械固定件；所述激光增益模块包括有激光增益介质、第二机械固定件和内窗口；所述激光增益介质和内窗口固定在第二机械固定件上；所述内窗口和激光增益介质之间以及激光增益介质和激光增益介质之间的空间填充有冷却液；所述第一机械固定件设置在激光增益模块的外侧；所述外窗口设置在第一机械固定件上；所述外窗口与激光增益模块之间填充有折射率匹配液；所述外窗口通过胶水黏结在第一机械固定件上；所述外窗口的横向通光尺寸大于内窗口的横向通光尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置，其特征是：所述激光增益介质为Nd:YAG晶体或Nd:YLF晶体。

3.根据权利要求1所述的一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的装置，其特征是：所述冷却液为水或重水或四氯化碳液体；所述激光增益介质浸在冷却液中，冷却液流过激光增益介质表面。

4.一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的方法，其特征是： 包括以下步骤：

步骤一、选取外窗口，外窗口的横向通光口径要大于内窗口的横向通光口径，以确保通过内窗口的激光都能通过外窗口；

步骤二、用胶水将外窗口黏结在第一机械固定件上；

步骤三、将冷却液注入激光增益介质和内窗口以及激光增益介质和激光增益介质之间的空间，并使冷却液保持循环流动；

步骤四、将折射率匹配液注入外窗口和内窗口之间的空间。

5.根据权利要求4所述的一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的方法，其特征是：所述折射率匹配液的折射率为n1，冷却液的折射率为n2，内窗口的折射率为n3，空气的折射率为n4，|n1-n2|＜n2-n4。

6.根据权利要求5所述的一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的方法，其特征是：所述n1=n2=n3。

7.根据权利要求4所述的一种消除激光器增益模块因窗口形变造成的波前畸变的方法，其特征是：所述冷却液为水或重水或四氯化碳液体。