气体冷却激光二极管抽运的固体激光放大模块设计及热管理研究

激光二极管抽运的固体激光器(DPSSL)成为实现下一代激光器驱动装置对能量转换效率和重复频率要求的重要途径。高重复频率导致介质内存在热积累,引起热光效应、弹光效应和形变,导致波前畸变的产生,影响光束质量。针对目标输出能量100J,重复频率10Hz的放大模块,分析其储能提取效率和增益性能,采用气体冷却技术,设计激光二极管抽运的片状放大模块结构。利用有限元数值分析方法,建立了该装置单片放大器热分析模型,研究了单片增益介质厚度、对流换热系数对波前畸变的影响,结合波前畸变的要求,得到了单片厚度的最优值,并对该设计进行热分析,利用超高斯光束近似抽运光源,结合氦气气流分布情况,模拟单片介质的温度、形变和应力分布,计算得到了热光效应、形变和弹光效应对波前畸变的贡献以及单片增益介质的总波前。     

基于非均匀掺杂的激光二极管抽运固体激光系统放大介质热特性分析

利用非均匀掺杂的设计思想,针对正面抽运、背面冷却的有源反射镜放大器结构中不同激活离子掺杂分布的介质进行了模拟计算,分析并比较了传统均匀掺杂介质与非均匀掺杂放大介质中的温度、温度梯度、应力、应变以及波前畸变的分布。结果表明,与传统均匀掺杂介质相比,非均匀掺杂放大介质内的温度、温度梯度、应力、应变与波前畸变均有明显的降低。模拟结果证明,非均匀掺杂可以改善有源反射镜放大器构型冷却与产热异面的问题,可以有效地提高放大器增益介质热管理性能,为进一步讨论基于非均匀掺杂的放大介质的热管理优化提供了基础。     

板条激光模块热致波前畸变自校正设计北大核心CSCD

为了解决板条激光器输出激光光束质量不高的问题,建立了激光在板条激光模块中沿"之"字形光路传输时的热致波前畸变模型。对热致波前畸变的分布特点进行了研究,并提出了一种减小热致波前畸变的方法。数值仿真结果表明,通过合理的光路设计,优化激光以同一角度两次进入板条介质时的位置偏移量,可以达到减小板条厚度方向上热致波前畸变的目的。     

高功率激光装置中波前畸变对相干合成的影响

根据高功率激光装置中波前畸变分段的特点,提出通过构造不同频段的波前畸变来研究相干合成结果与波前畸变之间的关系。以神光-III原型装置的结构和参数为模型,利用蒙特卡罗方法进行了数值模拟,分析了低频、中高频波前畸变对相干合成的影响,并给出了低频和中高频波前畸变与相干合成结果的对应关系。为高功率激光装置中进行波前畸变控制,实现相干合成提供一种分析思路和理论参考。     

400mm口径N41钕玻璃片的热效应

对应用于惯性约束聚变(ICF)激光驱动器的新型N41大口径钕玻璃片在高增益条件下的热效应进行了系统研究。实验结果表明,在平均小信号净增益系数达到0.0525cm-1的高增益情况下,385mm×385mm口径范围内两片双程的热致动态波前畸变的峰-谷值约为0.84λ(λ=1053nm),处于变形镜校正范围之内;基于目前的冷却方案,剩余波前畸变的恢复时间约为2.5h,满足系统每4h发射一次的设计要求;每次发射7h后,系统内仍存在热气体对流引入的微小畸变;理论预测结果与实验结果一致。该研究为下一代ICF激光驱动器内片状放大器系统的研制提供了实验参考。     

薄片激光器均匀抽运及均匀冷却技术研究

均匀抽运及均匀冷却是激光二极管抽运激光器减小热致光学畸变以实现高光束质量输出的核心技术难题。通过开展键合薄片激光均匀抽运及均匀冷却技术的研究,采用透镜压缩结合波导匀化的设计思想,实现了95%以上的抽运均匀性。同时通过对薄片介质冷却通道的优化设计,实现了优于96%的温度分布均匀性。原理验证实验结果表明薄片介质的波前畸变得到了有效控制,当平均抽运功率密度为230 W/cm2时,忽略离焦效应后介质的反射波前畸变均方根值约为0.35μm。     

利用内腔变形反射镜补偿激光器畸变的研究

固体激光器中,增益介质由于热沉积产生的热畸变严重影响了激光器的稳定性和输出功率以及光束质量。为了补偿激光器腔内畸变,采用了一种利用变形反射镜作为内腔反射镜的方法,运用静电力作用于变形薄膜反射镜,来改变谐振腔的结构。从外部引入一束参考光通过激光腔,利用波前探测器可测得腔内畸变对参考光的影响,并利用变形反射镜校正此畸变。实验结果表明,该方法能对腔内畸变进行有效的补偿,提高激光器的输出功率及光束质量。     

大口径N31钕玻璃片高增益情况下热性能研究

大口径高通量验证实验平台(以下简称ITB装置)是我国为开展惯性约束聚变(ICF)研究而研制的激光装置,单束输出能量达到了19.6 k J(基频发射波长为1053 nm,脉宽为5 ns)。对大口径N31钕玻璃片在ITB装置400 mm×400 mm单口径片状放大器系统上应用的热特性进行了实验研究,结果表明:在增益系数为5.28%cm~(-1)高增益情况下,整个激光链路热致动态波前畸变峰谷值dPV约为5.3λ,处于变形镜校正范围之内;结合合理设计冷却方案,剩余波前畸变恢复时间约为2.5 h,满足了系统运行发次间隔为4 h的设计要求。     

Nd:YAG薄片激光增益介质封装技术

为了保证Nd:YAG薄片激光器的高功率、高光束质量,需解决薄片增益介质封装后的均匀散热、低波前畸变等关键问题。分析了封装过程中薄片增益介质的热应力,模拟了连接界面无缺陷条件下薄片增益介质的热分布,对封装工艺技术进行改进。优化的封装技术将薄片激光增益介质与微通道冷却器连接在一起,采用超声扫描显微镜、激光干涉仪对薄片激光器的焊接界面与增益介质表面面形进行测试。结果表明:该封装技术实现了直径80 mm的大口径YAG薄片与冷却器焊料层均匀、无空洞的界面连接,同时减小了焊接后薄片的波前畸变,60 mm口径内面形畸变PV值小于1 m,均方根RMS值小于0.15 m。该技术封装的单模块Nd:YAG薄片激光器输出功率达到2.3 kW。     

液体冷却大面泵浦板条激光器的波前畸变研究

固体激光器中热效应引起的波前畸变影响了高光束质量,高功率的激光输出,限制了它在当代工业加工和科学研究领域的应用发展。以激光波前畸变的产生机理和液体冷却大面泵浦板条激光器的优势为切入点,利用哈特曼-夏克波前探测器进行一系列的波前畸变测试,通过对静态波前畸变量和动态波前畸变量等结果进行数据分析,对影响结果的因素进行分析,并提出改进意见,以期望进一步减少液体冷却大面泵浦板条激光器的热效应。     

神光-Ⅲ原型装置全光路系统波前测量方法

为进一步提高神光-Ⅲ原型装置8束三倍频激光焦斑的能量集中度,需要对神光-Ⅲ原型装置的全光路系统波前进行校正。其中的关键技术之一就是要准确获得全光路系统的波前畸变。神光-Ⅲ原型装置的8束激光主放诊断包内均配置了一套哈特曼波前传感器,可以较为方便地获得主放大系统输出波前,但却无法直接获得靶场系统波前。解决方法主要有逆向标定和靶点直接测量两种,通过比较两种方法的技术复杂性、测量准确性等指标,结合对校正前后远场焦斑的测量,最终确定采用靶点直接测量的方法能简单、有效地获得全光路系统波前畸变。     

相干调制成像技术测量高重复频率激光器光学元件热畸变

高功率固体激光器工作在高重复频率时,增益介质因热量的沉积而发生热畸变,导致激光输出波前发生变化。为此,利用相干调制成像技术通过记录单幅衍射光斑实现输出光场的波前测量,获得了放大器工作在1,5,7Hz频率时光学元件的热畸变相位。实验结果显示,随着工作频率增大,热量向中心区域集中,热沉积效应明显增加了波前变化。     

自泵浦相位共轭镜修复非线性介质引起的光波波前畸变

利用掺ＣＵ的ＫＮＳＢＮ晶体做成的自泵浦相位共轭镜可以补偿由于热自聚焦效应引起的随时间慢变的空间自调相。即由非线性介质引起的时间慢变的波前畸变可以利用相位共轭技术进行补偿。实验发现、尽管相位共轭反射率在时间上有较大幅度的不规则起伏．但相位共轭镜对波前畸变的补偿仍相当理想。     

拍瓦级激光系统前端波前热畸变和晶体动态热透镜效应的测量

为了有效改善飞秒拍瓦激光系统的输出波前质量,研究了10Hz前端激光脉冲的波前随泵浦能量的变化特性.结果表明:由于增益介质的热效应,放大光束的斯特尔率(Strehl ratio)随泵浦能量的增加而下降,这说明光束的聚焦性能发生改变.利用波前展开的Zernike系数,进一步分析研究发现,由于热透镜效应,经多通放大的激光脉冲波前不仅离焦量发生了变化,像散量也发生了变化.离焦量和像散畸变是光束经过多程放大后畸变变化的两个主要分量,要改善波前必须予以补偿.在此基础上,用He-Ne光作为探测光,测量了实验装置中的钛宝石在不同泵浦能量下的热焦距,与基于钛宝石晶体参数计算出的理论值符合较好.     

Nd∶YAG板条激光增益模块真空焊接工艺研究

传导冷却型Nd∶YAG板条激光放大器通常要把大尺寸晶体与微通道热沉焊接在一起,提高散热能力。为获得高光束质量的激光输出,要求焊面的空洞率越低越好,以降低Nd∶YAG板条激光增益模块在工作时产生的热畸变,本文提出了一种实现Nd∶YAG板条激光增益模块大面积无空洞焊接的工艺。在真空辐射加热条件下,使用精密行程控制系统调整热沉和Nd∶YAG板条激光增益介质之间焊接缝隙大小。通过对模拟件超声波扫描图的对比分析,使用精密行程控制系统调整焊接缝隙大小的焊接设计实现了大面积低空洞的连接,有效焊接面积达到98.9%。利用该工艺封装的增益模块进行了激光实验,在11kW泵浦光注入情况下,模块动态波前畸变减小了22%,表明新的焊接工艺可以提高Nd∶YAG板条激光增益模块的输出激光功率和光束质量。     

主动冷却式一维变形镜技术研究

根据高能固体板条主振荡功率放大(MOPA)激光放大器系统输出矩形光束在增益介质长度方向波前畸变的特点,针对性地研制了在一维方向上进行波前畸变校正的新型波前校正器,即一维变形镜(DM1D)。通过仿真模型对镜面厚度及粘接面形状等技术参数进行优化,设计了一个具有11通道的主动冷却型一维变形镜,全口径静态面形峰谷(PV)值为0.17μm,校正动态范围不小于5μm。采用主动冷却技术,使镜面在8 k W/cm2功率密度激光长时间照射情况下温升小于1℃,保持了强光作用下镜面面形的稳定性。在闭环校正试验中,光束质量β因子均值从8.82提高至4.38,有效地校正了光束波前畸变,验证了该一维变形镜在MOPA激光系统中的实用性。     

用于惯性约束聚变驱动器的静态相位控制元件

焦斑的尺寸和形状主要由光束的波前畸变决定。为了减小大口径激光系统的波前畸变并提高焦斑能量集中度,对静态波前畸变采用了相位板补偿的方法。对于在建中的原型装置,主要考虑补偿主放大系统的波前畸变。根据补偿板摆放位置处的光通量和加工的难易程度,综合考察了四个摆放位置的优缺点,提出用补偿板替代腔镜对波前进行补偿。建立了求解补偿板面形的数值计算模型,就设计时采用的钕玻璃片滤波截止频率做了讨论,得出用0.01 mm-1的截止频率做低通滤波后可以得到最佳补偿效果,给出了补偿板的面形分布和加工方法。模拟结果表明,采用这种方法后静态波前畸变由3.35λ降到1.27λ;包含总能量95%的衍射极限倍数由6.21TDL降到了3.95TDL,说明焦斑能量集中度得到显著提高。     

终端靶场中相位畸变对近场光束质量的影响

终端靶场聚焦系统中的光学元件上存在不可避免的缺陷致使光场波前发生畸变,根据高功率激光装置终端靶场系统中强光束传输的特点,建立了描述光学元件引入的局域相位调制的模型,研究了终端靶场中具有高斯型相位波前畸变的平顶光束经过透镜会聚,并在后续防溅射板等熔石英介质中经历非线性增长的传输演变过程,详细分析了高斯型相位波前畸变、熔石英厚度和透镜焦距对终端靶场聚焦系统中的近场光束质量的影响。结果表明,高斯型波前畸变越严重、熔石英厚度越长、透镜焦距越短,近场光束质量越差,中高频增长越多。     

高功率固体激光系统棒状放大器的热畸变理论

建立了从棒状放大器能量沉积分布研究其热畸变理论的计算机模拟程序.可以计算棒状放大器泵浦期间和泵浦结束之后冷却过程中激光棒内的温度分布、应力分布、折射率分布以及激光束的退偏量、平均光束发散角和位相畸变.用哈特曼网格法测量了氙灯泵浦对激光波面的影响以及放大器的冷却过程.测量结果与计算结果一致.     

热容模式下片状Nd:GGG光学畸变的模拟和实验研究

基于二极管泵浦的固体热容激光器,采用有限元软件ANSYS模拟了泵浦光高斯分布条件下,圆片状Nd:GGG晶体内部的温度分布,计算并分析了热致折射率梯度和端面形变带来的光学畸变对热容激光器输出激光波前的影响.利用干涉法对介质的光学畸变进行了测量,提取出畸变的轮廓图,计算出等效热焦距,与模拟结果基本相符.结果表明:泵浦光与激光介质形状的不匹配将会使激光介质产生光学畸变,光学畸变的形状与泵浦光的形状密切相关.