激光總體方案

1、1. 高重頻大能量激光泵浦系統(tǒng)總體方案、主要組成、工作流程及工作模式1.1 總體技術(shù)方案根據(jù)國內(nèi)外脈沖激光器的調(diào)研結(jié)果, 直接獲得重頻10kHz、納秒脈沖寬度和幾十毫焦單脈沖能量的激光脈沖是十分困難的。若采用閃光燈泵浦的固體激光器方案，可以很容易獲得幾十毫焦甚至焦耳量級(jí)的大脈沖能量輸出，但其重頻一般在幾十Hz（典型1020Hz），無法實(shí)現(xiàn)高達(dá)10kHz的重復(fù)頻率；同時(shí)，由于閃光燈的發(fā)射光譜為寬譜，光譜覆蓋紫外到紅外波段，與激光介質(zhì)的吸收光譜（吸收帶寬一般在幾個(gè)納米）匹配效果差，這導(dǎo)致廢熱嚴(yán)重，不但給激光器帶來嚴(yán)重的熱效應(yīng)，也造成激光器效率低下，光束質(zhì)量差。另外，閃光燈幾百小時(shí)的工作壽命也大大限

2、制了其工程應(yīng)用。綜上所述，閃光燈泵浦的固體激光器方案難以滿足本項(xiàng)目指標(biāo)及應(yīng)用需求。相比之下，采用半導(dǎo)體激光器（LD）作為泵浦源，其發(fā)射波長可與激光增益介質(zhì)的吸收光譜實(shí)現(xiàn)很好的匹配，大大降低了激光器熱效應(yīng)的影響，提高了激光器的效率，因此LD泵浦的固體激光器（DPSSL）通常具有效率高和光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。為滿足本項(xiàng)目大能量的要求，本高重頻大能量激光泵浦系統(tǒng)可采用振蕩放大（MOPA，Master Oscillator and Power Amplifier）結(jié)構(gòu)，即此激光泵浦系統(tǒng)由激光振蕩級(jí)和激光放大級(jí)組成，依靠激光振蕩級(jí)獲得高重頻、低脈沖能量的激光輸出，依靠激光放大級(jí)獲得滿足項(xiàng)目要求的大脈沖能量激

3、光輸出，同時(shí)對(duì)入射脈沖的寬度和光束質(zhì)量也不會(huì)造成影響。經(jīng)激光放大級(jí)輸出的高重頻大能量的1064nm激光，經(jīng)過高效頻率擴(kuò)展后，便可獲得滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求的高重頻大能量的532nm/355nm泵浦光。同時(shí)，為了保證輸出激光的穩(wěn)定性，還需輔以高效的激光系統(tǒng)熱控技術(shù)。綜上所述，總體技術(shù)方案可歸納如下：為獲得高重復(fù)頻率大脈沖能量的激光脈沖序列，首先利用激光振蕩級(jí)獲得高重頻的激光脈沖，然后利用普克爾盒選取部分脈沖組成脈沖串，脈沖串內(nèi)的脈沖數(shù)量可通過控制普克爾盒加載電壓的持續(xù)時(shí)間決定，最后利用振蕩-放大（MOPA，Master Oscillator and Power Amplifier）結(jié)構(gòu)對(duì)選取的脈沖串進(jìn)

4、行能量放大。本系統(tǒng)可在兩種模式下工作：脈沖串模式和單脈沖模式。在兩種工作模式下激光振蕩級(jí)可通用，通過普克爾盒對(duì)脈沖數(shù)量選取和重頻控制，實(shí)現(xiàn)脈沖串工作和單脈沖工作?？傮w技術(shù)方案如圖1-1所示。圖1-1 總體技術(shù)方案1.2 主要組成本系統(tǒng)主要由四部分組成，分別為10kHz高重頻脈沖輸出部分、脈沖選取部分、脈沖放大部分和頻率擴(kuò)展部分。各部分詳細(xì)組成如下：l 10kHz高重頻脈沖輸出：主要包括全反鏡1、LD側(cè)泵Nd:YAG模塊、偏振器、普克爾盒1和輸出鏡等。l 脈沖選?。褐饕ㄆ衿?、普克爾盒2和全反鏡2等。l 脈沖放大：主要包括預(yù)放大模塊、半波片、偏振器3、放大模塊、四分之一波片和全反鏡4等。l

5、 頻率擴(kuò)展：主要由倍頻、和頻晶體組成其中普克爾盒1作為高重頻電光調(diào)Q元件，普克爾盒2作為脈沖選取元件。1.3 工作流程LD側(cè)面泵浦的Nd:YAG激光器經(jīng)普克爾盒1電光調(diào)Q后，獲得重頻10kHz，單脈沖能量幾毫焦的1064nm激光輸出，由于腔內(nèi)插入偏振器，因此輸出激光為線偏振光，假設(shè)為p偏振激光。然后經(jīng)偏振器1、光隔離器1、半波片和偏振器2后，注入到能量預(yù)放大模塊中，往返兩次經(jīng)過/4波片后偏振方向改變90o，p光變?yōu)閟光。此時(shí)已不能再次通過偏振器2沿原光路返回，只能沿垂直方向反射通過普克爾盒2。l 當(dāng)普克爾盒2上不加V/4時(shí)，激光脈沖經(jīng)全反鏡2全反后再次通過普克爾盒2，然后再經(jīng)偏振器2入射到預(yù)放

6、大模塊中，經(jīng)過/4波片和全反鏡3全反后再次通過/4波片，激光偏振方向再次改變90o，由s光變?yōu)閜光，此時(shí)可透射通過偏振器2，經(jīng)半波片后偏振方向改變90o，由p光變?yōu)閟光，不能通過偏振器1，這會(huì)防止反饋激光入射到激光振蕩級(jí)中，造成對(duì)振蕩級(jí)光學(xué)器件的損壞。l 當(dāng)普克爾盒2上加V/4后（相當(dāng)于插入一個(gè)/4波片），激光往返兩次通過普克爾盒2時(shí)偏振方向改變90o，由s光變?yōu)閜光，此時(shí)不能通過偏振器2反射到預(yù)放大級(jí)中，只能向下透射通過偏振器2和隔離器2，經(jīng)過半波片后偏振方向改變90o，由p光變?yōu)閟光，經(jīng)偏振器3反射后注入到放大級(jí)中，在全反鏡4的作用下，激光再次經(jīng)偏振器3反射沿原光路返回，即激光脈沖會(huì)在全反

7、鏡2和全反鏡4之間往返振蕩放大。因此，當(dāng)采用方波信號(hào)對(duì)普克爾盒2上V/4的加載時(shí)間進(jìn)行控制時(shí)，便可靈活地對(duì)脈沖串進(jìn)行選取。1.4 工作模式本高重頻大能量激光泵浦系統(tǒng)可分為兩種工作模式，脈沖串工作模式和單脈沖工作模式。具體工作模式分析如下：圖1-2 脈沖序列示意圖l 在脈沖串工作模式下：激光振蕩級(jí)產(chǎn)生10kHz的激光脈沖，每個(gè)脈沖間隔0.1ms。通過外加方波信號(hào)控制普克爾盒2上加載的V/4的持續(xù)時(shí)間，當(dāng)持續(xù)時(shí)間為1ms時(shí)，便可選取10個(gè)脈沖構(gòu)成一個(gè)脈沖串，外加方波信號(hào)的頻率為即為脈沖串重頻；然后對(duì)選取的脈沖串再進(jìn)行兩級(jí)能量放大，便可得到滿足指標(biāo)要求的高重頻大能量的激光脈沖序列。圖1-2為激光脈沖

8、序列示意圖。其中脈沖間隔由振蕩級(jí)脈沖激光重復(fù)頻率決定，脈沖個(gè)數(shù)由普克爾盒上所加V/4的持續(xù)時(shí)間決定，脈沖串重頻由V/4的調(diào)制頻率決定。l 在單脈沖工作模式下：激光振蕩級(jí)產(chǎn)生10kHz的激光脈沖，控制普克爾盒2上加載V/4的持續(xù)時(shí)間為0.1ms時(shí)，即選取1個(gè)脈沖，V/4的調(diào)制頻率在1Hz20Hz可調(diào)。選取的1個(gè)脈沖通過兩級(jí)能量放大，最終實(shí)現(xiàn)100Hz500Hz重頻可調(diào)，單脈沖能量60mJ1064nm的單脈沖激光輸出。為完成總體技術(shù)方案，著重需完成如下三個(gè)單元關(guān)鍵技術(shù)：1）高重頻激光振蕩級(jí)技術(shù)；2）激光放大級(jí)技術(shù)；3）頻率擴(kuò)展技術(shù)。2. 高重頻大能量激光泵浦系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案2.1 10kHz高重頻

9、脈沖激光器設(shè)計(jì)圖1-3 激光振蕩級(jí)示意圖10kHz高重頻脈沖激光器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示。諧振腔采用平平熱穩(wěn)直線腔結(jié)構(gòu)，泵浦源采用激光二級(jí)管激光器，激光增益介質(zhì)選擇Nd:YAG晶體，其上能級(jí)壽命約230ms，較長的上能級(jí)壽命使得Nd:YAG激光晶體具有更強(qiáng)的儲(chǔ)能能力，非常適合在調(diào)Q重復(fù)頻率510kHz范圍內(nèi)工作，同時(shí)Nd:YAG晶體還具有較大的受激發(fā)射截面（2.8×10-19cm2）、較高的熱導(dǎo)率（12.9W/cm·K）和成熟的晶體工藝，使得Nd:YAG成為本項(xiàng)目中激光振蕩級(jí)激光增益介質(zhì)的首選。Nd:YAG晶體尺寸選為3mm×40mm，摻雜Nd3+濃度為1.1a

10、t.%。調(diào)Q方式采用電光調(diào)Q方式，相比聲光調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q方式，它具有時(shí)序控制精確、關(guān)斷能力高、脈寬壓縮能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過LASCAD軟件對(duì)諧振腔參量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可輸出光束質(zhì)量因子M22的窄脈寬激光輸出，調(diào)Q重復(fù)頻率10kHz，單脈沖能量幾毫焦。2.2 脈沖選取設(shè)計(jì)從目前半導(dǎo)體泵浦固體激光器的研究現(xiàn)狀來看，要獲得重復(fù)頻率10kHz，單脈沖能量幾十毫焦的脈沖激光輸出，是非常困難的，其中最難以克服的就是激光器的散熱問題。而高速PLIF診斷技術(shù)（1kHz，甚至更高），為了能夠以很高的時(shí)間分辨率（us量級(jí)）記錄燃燒的瞬態(tài)過程，提供燃燒的瞬態(tài)信息，迫切需要高重頻脈沖激光，但分析PLIF工作過程可發(fā)現(xiàn)：在整

11、個(gè)工作過程中，并不需要10kHz高重頻脈沖激光器一直工作，只需要在一段短時(shí)間內(nèi)能夠以高重頻工作即可，因此，10kHz的高重頻脈沖激光器可設(shè)計(jì)成間歇式工作方式，即產(chǎn)生高重頻的“脈沖串”用于PLIF測(cè)量即可。因此，需要對(duì)10kHz高重頻、高能量激光振蕩級(jí)輸出的脈沖激光進(jìn)行脈沖選取。脈沖選取可以通過斬波的手段實(shí)現(xiàn)，但選取精度低，控制起來相對(duì)困難，很難實(shí)現(xiàn)靈活的高精度脈沖選取，同時(shí)，振蕩級(jí)輸出的單脈沖激光還容易將斬波器打壞。因此，本系統(tǒng)中采用電光Q開關(guān)和偏振器的組合實(shí)現(xiàn)脈沖的選取功能。脈沖選取裝置示意圖如圖1-4所示。主要由2個(gè)全反鏡（均鍍對(duì)1064nm的高反膜）、一個(gè)普克爾盒、一個(gè)偏振器和一個(gè)四分之

12、一波片組成。具體的脈沖選取過程如下：10kHz高重頻脈沖激光（p偏振）入射至偏振器，偏振器放置方向?yàn)樵试Sp偏振光透射，經(jīng)偏振器透射后，經(jīng)四分之一波片和全反鏡后，再次回到偏振器，此時(shí)p偏振光變?yōu)閟偏振光，只能通過偏振器折射，入射到普克爾盒。圖1-4 脈沖選取示意圖l 當(dāng)普克爾盒上不加V/4時(shí)，激光脈沖經(jīng)全反鏡1全反后再次通過普克爾盒，然后再經(jīng)偏振器折射，經(jīng)過/4波片和全反鏡2全反后再次通過/4波片，激光偏振方向再次改變90o，由s光變?yōu)閜光，此時(shí)可透射通過偏振器，此過程為非脈沖選取過程，如圖1-5所示。圖1-5 非脈沖選取過程示意圖l 當(dāng)普克爾盒上加V/4后（相當(dāng)于插入一個(gè)/4波片），激光往返兩次通過普克爾盒時(shí)偏振方向改變90o，由s光變?yōu)閜光，此時(shí)不能通過偏振器反射，只能向下透射通過偏振器，并最終入射到激光放大級(jí)中。當(dāng)采用方波信號(hào)對(duì)普克爾盒上V/4的加載時(shí)間進(jìn)行控制時(shí)，便可靈活地對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行選取。脈沖選取過程示意圖如Error! Reference source not found.所示