一種消除激光器增益模塊因窗口形變?cè)斐傻牟ㄇ盎兊难b置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是激光器模塊像差消除技術(shù)，尤其是一種消除激光器增益模塊因窗口形變?cè)斐傻牟ㄇ盎兊难b置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高能固體激光器在醫(yī)療、工業(yè)和軍事領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。然而激光器在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱，這些廢熱往往會(huì)誘導(dǎo)許多熱效應(yīng)，比如熱透鏡效應(yīng)，熱致雙折射效應(yīng)和熱應(yīng)力等，這些熱效應(yīng)很大程度上限制了激光器功率的進(jìn)一步提升以及造成光束質(zhì)量的嚴(yán)重惡化。因此固體激光器的熱管理在激光技術(shù)領(lǐng)域顯的尤為重要。近年來(lái)出現(xiàn)了許多新型的裝置結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的熱管理，提高激光器的散熱能力。
[0003]直接液冷固體激光器就是在這樣的大背景下出現(xiàn)的一種能夠?qū)崿F(xiàn)比較高效、及時(shí)散熱的激光器。這類(lèi)激光器通常由增益模塊、栗浦源、諧振腔組成；增益模塊通常由大孔徑的增益介質(zhì)，冷卻液，單層窗口和機(jī)械固定件組成。多片增益介質(zhì)平行放置，介質(zhì)與介質(zhì)之間充滿(mǎn)液體，通常冷卻液以一定的速度流動(dòng)帶走晶體產(chǎn)生的廢熱，增益模塊兩端由窗口密封。其優(yōu)勢(shì)在于增益介質(zhì)完全浸沒(méi)在冷卻液中，冷卻液通過(guò)外循環(huán)裝置，迅速帶走增益介質(zhì)表面的余熱，很好的實(shí)現(xiàn)熱管理，同時(shí)增益介質(zhì)可以數(shù)片乃至數(shù)十片的串接在一起與冷卻液共同組成一個(gè)增益模塊，整個(gè)增益模塊體積可以非常小。同時(shí)由于激光是透射式通過(guò)整個(gè)增益模塊，避免了傳統(tǒng)固體增益介質(zhì)(薄片、板條)焊接到冷卻器時(shí)帶來(lái)的表面形變，以及由于反射式提取帶來(lái)的光軸漂移等諸多問(wèn)題。
[0004]如前文所述，由于是透射式模塊，激光運(yùn)行時(shí)將通過(guò)整個(gè)增益模塊中的每一片增益介質(zhì)和增益介質(zhì)之間的流體以及窗口，而增益介質(zhì)兩旁是冷卻液填充，因此，即使晶體在裝夾時(shí)產(chǎn)生一定的形變，由于冷卻液的折射率選擇和晶體的折射率通常比較接近，光通過(guò)變形的晶體和冷卻液后光程差基本沒(méi)有變化，因此不會(huì)造成整個(gè)模塊的波前畸變。這與增益模塊的窗口不同，窗口內(nèi)為冷卻液而外層是直接與空氣接觸的，因此窗口發(fā)生形變將直接造成激光通過(guò)模塊后光程差不再相同，即所謂的模塊產(chǎn)生波前畸變。例如，當(dāng)冷卻液在模塊內(nèi)高速流動(dòng)時(shí)，由于模塊窗口承受了很大的壓力而由平面變成了球面，此時(shí)整個(gè)模塊類(lèi)似于一個(gè)凸透鏡，透鏡里面是液體、增益介質(zhì)和窗口，這三者折射率可以基本看成相等，而外面是空氣，其折射率遠(yuǎn)小于上述三種物體。當(dāng)激光通過(guò)此類(lèi)類(lèi)似于透鏡的模塊時(shí)會(huì)附加很大的離焦和球差相位。這就是激光器增益模塊因窗口形變所造成波前畸變的成因。
[0005]造成窗口形變的因素通常有兩種，其一是裝夾應(yīng)力造成，其二是液體在流動(dòng)時(shí)由于窗口承受很大的壓力也會(huì)造成窗口形變。這些形變將導(dǎo)致直接液冷固體激光模塊產(chǎn)生很大的波前畸變，影響激光器功率的輸出。在激光器工作狀態(tài)下，窗口形變?cè)斐傻哪K波前畸變有時(shí)甚至可以達(dá)到熱對(duì)模塊造成波前畸變的程度。特別是激光器在非穩(wěn)腔工作模式下，其對(duì)光束質(zhì)量的影響更是不可忽視。
[0006]綜上所述，如何減弱甚至消除激光器增益模塊因窗口形變所造成的波前畸變至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種消除激光器增益模塊因窗口形變?cè)斐傻牟ㄇ盎兊难b置及方法的技術(shù)方案，該方案能夠有效消除內(nèi)窗口形變所導(dǎo)致的波前畸變。
[0008]本方案是通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
一種消除激光器增益模塊因窗口形變?cè)斐傻牟ㄇ盎兊难b置，包括有激光增益模塊、折射率匹配液、外窗口、第一機(jī)械固定件；激光增益模塊包括有激光增益介質(zhì)、第二機(jī)械固定件和內(nèi)窗口 ；激光增益介質(zhì)和內(nèi)窗口固定在第二機(jī)械固定件上；內(nèi)窗口和激光增益介質(zhì)之間的空間填充有冷卻液；第一機(jī)械固定件設(shè)置在激光增益模塊的外側(cè)；外窗口設(shè)置在第一機(jī)械固定件上；外窗口與激光增益模塊之間填充有折射率匹配液。
[0009]作為本方案的優(yōu)選:外窗口通過(guò)膠水黏結(jié)在第一機(jī)械固定件上。
[0010]作為本方案的優(yōu)選:外窗口的橫向通光尺寸大于內(nèi)窗口的橫向通光尺寸。
[0011]作為本方案的優(yōu)選:激光增益介質(zhì)為Nd = YAG晶體或Nd = YLF晶體。
[0012]作為本方案的優(yōu)選:冷卻液為水或重水或四氯化碳液體；所述激光增益介質(zhì)浸在冷卻液中，冷卻液流過(guò)激光增益介質(zhì)表面。
[0013]—種消除激光器增益模塊因窗口形變?cè)斐傻牟ㄇ盎兊姆椒?，包括以下步驟: 步驟一、選取外窗口，外窗口的橫向通光口徑要大于內(nèi)窗口的橫向通光口徑，以確保通過(guò)內(nèi)窗口的激光都能通過(guò)外窗口；
步驟二、用膠水將外窗口黏結(jié)在第一機(jī)械固定件上；
步驟三、將冷卻液注入激光增益介質(zhì)和內(nèi)窗口之間的空間，并使冷卻液保持循環(huán)流動(dòng)；
步驟四、將折射率匹配液注入外窗口和內(nèi)窗口之間的空間。
[0014]作為本方案的優(yōu)選:折射率匹配液的折射率為nl，冷卻液的折射率為n2，內(nèi)窗口的折射率為n3，空氣的折射率為n4，|nl_n2| < n2_n4。
[0015]作為本方案的優(yōu)選:nl=n2=n3。
[0016]作為本方案的優(yōu)選:冷卻液為水或重水或四氯化碳液體。
[0017]本方案的有益效果可根據(jù)對(duì)上述方案的敘述得知，由于在該方案中外窗口與第一機(jī)械固定件之間的連接采用膠水粘連，外窗口不會(huì)因裝夾應(yīng)力而發(fā)生形變，同時(shí)由于外窗口中匹配液不流動(dòng)，內(nèi)部無(wú)壓力，不會(huì)造成外窗口變形。同時(shí)在外窗口和內(nèi)窗口之間填充有折射率匹配液，并且折射率匹配液的折射率為nl，冷卻液的折射率為n2，內(nèi)窗口的折射率為n3，當(dāng)|nl-n2| < n2_n4時(shí)，即使內(nèi)窗口發(fā)生形變，波前畸變能夠部分消除；inl=n2=n3時(shí)，波前畸變能夠完全消除。
[0018]由此可見(jiàn)，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著地進(jìn)步，其實(shí)施的有益效果也是顯而易見(jiàn)的。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是傳統(tǒng)的直接液冷固體激光器增益模塊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的直接液冷固體激光器增益模塊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是傳統(tǒng)的直接液冷固體激光器單增益介質(zhì)雙流道增益模塊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的直接液冷固體激光器單增益介質(zhì)雙流道增益模塊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是傳統(tǒng)的直接液冷固體激光器單增益介質(zhì)雙流道增益模塊裝置窗口內(nèi)冷卻液靜止時(shí)波前測(cè)量結(jié)果；
圖6是本發(fā)明的直接液冷固體激光器單增益介質(zhì)雙流道增益模塊裝置窗口內(nèi)冷卻液靜止時(shí)波前測(cè)量結(jié)果；
圖7是傳統(tǒng)的直接液冷固體激光器單增益介質(zhì)雙流道增益模塊裝置窗口內(nèi)冷卻液平均流速為6m/s時(shí)波前測(cè)量結(jié)果；
圖8是本發(fā)明的直接液冷固體激光器單增益介質(zhì)雙流道增益模塊裝置窗口內(nèi)冷卻液平均流速為6m/s時(shí)波前測(cè)量結(jié)果。
[0020]圖中，I為激光增益模塊，2為折射率匹配液，3為外窗口，4為膠水，5為第一機(jī)械固定件，6為第二機(jī)械固定件，7為激光增益介質(zhì)，8為冷卻液，9為內(nèi)窗口。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0022]本說(shuō)明書(shū)(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類(lèi)似特征中的一個(gè)例子而已。
[0023]如圖1所示，為傳統(tǒng)的直接液冷固體激光器增益模塊(1)，包括第二機(jī)械固定件
(6)、激光增益介質(zhì)(7)、冷卻液(8)、內(nèi)窗口(9)。激光增益介質(zhì)(7)完全浸入在冷卻液(8)中，冷卻液(8)通過(guò)外循環(huán)將激光增益介質(zhì)(7)表面的熱量帶走，第二機(jī)械固定件(6)主要用于固定激光增益介質(zhì)(7)和內(nèi)窗口(9)，以及確保激光增益介質(zhì)(7)與激光增益介質(zhì)
(7)之間的間距以及激光增益介質(zhì)(7)與內(nèi)窗口(9)之間的間距。流道的厚度以及冷卻液的厚度根據(jù)實(shí)際的栗浦功率和栗浦方式而定，可以從微米量級(jí)到厘米量級(jí)。在傳統(tǒng)的增益模塊中，由于機(jī)械裝夾應(yīng)力以及冷卻液快速流動(dòng)，增益模塊內(nèi)壓力比