激光总体方案.doc

1.高重频大能量激光泵浦系统总体方案、主要组成、工作流程及工作模式1.1总体技术方案根据国内外脉冲激光器的调研结果，直接获得重频10kHz、纳秒 脉冲宽度和几十毫焦单脉冲能量的激光脉冲是十分困难的若采用闪 光灯泵浦的固体激光器方案，可以很容易获得儿十毫焦甚至焦耳量级 的大脉冲能量输出，但其重频一般在几十Hz（典型10〜20Hz）,无法 实现高达10kHz的重复频率；同时，由于闪光灯的发射光谱为宽谱, 光谱覆盖紫外到红外波段，与激光介质的吸收光谱（吸收带宽一般在 几个纳米）匹配效果差，这导致废热严重，不但给激光器带来严重的 热效应，也造成激光器效率低下，光束质量差另外，闪光灯几百小 时的工作寿命也大大限制了其工程应用综上所述，闪光灯泵浦的固 体激光器方案难以满足本项目指标及应用需求相比之下，采用半导体激光器（LD）作为泵浦源，其发射波长 可与激光增益介质的吸收光谱实现很好的匹配，大大降低了激光器热 效应的影响，提高了激光器的效率，因此LD泵浦的固体激光器 （DPSSL）通常具有效率高和光束质量好等优点为满足本项目大能 量的要求，本高重频大能量激光泵浦系统可采用振荡一放大（MOPA, Master Oscillator and Power Amplifier）结构，即此激光泵浦系统由激 光振荡级和激光放大级组成，依靠激光振荡级获得高重频、低脉冲能 量的激光输出，依靠激光放大级获得满足项目要求的大脉冲能量激光 输出，同时对入射脉冲的宽度和光束质量也不会造成影响。

经激光放 大级输出的高重频大能量的1064nm激光，经过高效频率扩展后，便 可获得满足项目指标要求的高重频大能量的532nm/355nm泵浦光 同时，为了保证输出激光的稳定性，还需辅以高效的激光系统热控技 术综上所述，总体技术方案可归纳如下：为获得高重复频率大脉 冲能量的激光脉冲序列，首先利用激光振荡级获得高重频的激光脉 冲，然后利用普克尔盒选取部分脉冲组成脉冲串，脉冲串内的脉冲数 量可通过控制普克尔盒加载电压的持续时间决定，最后利用振荡•放 大(MOPA, Master Oscillator and Power Amplifier)结构对选取的脉 冲串进行能量放大本系统可在两种模式下工作：脉冲串模式和单脉 冲模式在两种工作模式下激光振荡级可通用，通过普克尔盒对脉冲 数量选取和重频控制，实现脉冲串工作和单脉冲工作总体技术方案 如图1・1所示全反镜2全反镜4图1・1总体技术方案1.2主要组成本系统主要由四部分组成，分别为10kHz高重频脉冲输出部 分、脉冲选取部分、脉冲放大部分和频率扩展部分各部分详细组 成如下：• 10kHz高重频脉冲输出：主要包括全反镜1、LD侧泵Nd:YAG 模块、偏振器、普克尔盒1和输出镜等。

•脉冲选取：主要包括偏振器2、普克尔盒2和全反镜2等•脉冲放大：主要包括预放大模块、半波片、偏振器3、放大 模块、四分之一波片和全反镜4等•频率扩展：主要由倍频、和频品体组成其中普克尔盒1作为高重频电光调Q元件，普克尔盒2作为脉 冲选取元件1.3工作流程LD侧面泵浦的Nd:YAG激光器经普克尔盒1电光调Q后，获得 重频10kHz,单脉冲能量儿毫焦的1064nm激光输出，由于腔内插入 偏振器，因此输出激光为线偏振光，假设为p偏振激光然后经偏振 器1、光隔离器1、半波片和偏振器2后，注入到能量预放大模块中, 往返两次经过X/4波片后偏振方向改变90, p光变为s光此口寸已不 能再次通过偏振器2沿原光路返回，只能沿垂直方向反射通过普克尔 盒2o•当普克尔盒2上不加Vx/4时，激光脉冲经全反镜2全反后再次 通过普克尔盒2,然后再经偏振器2入射到预放大模块中，经过X/4 波片和全反镜3全反后再次通过V4波片，激光偏振方向再次改变 90,由s光变为p光，此时可透射通过偏振器2,经半波片后偏振方 向改变90,由p光变为s光，不能通过偏振器1,这会防止反馈激 光入射到激光振荡级中，造成对振荡级光学器件的损坏。

•当普克尔盒2上加Vxm后（相当于插入一个X/4波片），激光 往返两次通过普克尔盒2时偏振方向改变90,由s光变为p光，此 时不能通过偏振器2反射到预放大级中，只能向下透射通过偏振器2 和隔离器2,经过半波片后偏振方向改变90由p光变为s光，经 偏振器3反射后注入到放大级中，在全反镜4的作用下，激光再次经 偏振器3反射沿原光路返回，即激光脉冲会在全反镜2和全反镜4之 间往返振荡放大因此，当采用方波信号对普克尔盒2上Vv4的加载时间进行控制 时，便可灵活地对脉冲串进行选取1.4工作模式本高重频大能量激光泵浦系统可分为两种工作模式，脉冲串工 作模式和单脉冲工作模式具体工作模式分析如下：图1-2脉冲序列示意图•在脉冲串工作模式下：激光振荡级产生10kHz的激光脉冲， 每个脉冲间隔O.lmso通过外加方波信号控制普克尔盒2上 加载的V泌的持续时间，当持续时间为1ms时，便可选取10 个脉冲构成一个脉冲串，外加方波信号的频率为即为脉冲串 重频；然后对选取的脉冲串再进行两级能量放大，便可得到 满足指标要求的高重频大能量的激光脉冲序列图1-2为激 光脉冲序列示意图其中脉冲间隔由振荡级脉冲激光重复频 率决定，脉冲个数由普克尔盒上所加V刑的持续时间决定， 脉冲串重频由Vs的调制频率决定。

•在单脉冲］「•作模式下：激光振荡级产生10kHz的激光脉冲， 控制普克尔盒2上加载Vx/4的持续时间为0.1ms时，即选取 1个脉冲，V”4的调制频率在1Hz〜20Hz可调选取的1个脉 冲通过两级能量放大，最终实现100Hz〜500Hz重频可调，单 脉冲能量60mJ@1064nm的单脉冲激光输出为完成总体技术方案，着重需完成如下三个单元关键技术：1)高 重频激光振荡级技术；2)激光放大级技术；3)频率扩展技术2,高重频大能量激光泵浦系统详细设计方案2.1 10kHz高重频脉冲激光器设计全反镜 输出镜一 偏振器 厂LD侧泵 普克尔盒Nd:YAG模块图1-3激光振荡级示意图10kHz高重频脉冲激光器结构示意图如图1・3所示谐振腔采用平平 热稳直线腔结构，泵浦源采用激光二级管激光器，激光增益介质选择 Nd:YAG晶体，其上能级寿命约230|is,较长的上能级寿命使得 Nd:YAG激光晶体具有更强的储能能力，非常适合在调Q重复频率 5〜10kHz范围内工作，同时Nd:YAG晶体还具有较大的受激发射截面 (2.8xl0-19cm2)＞较高的热导率(〜12.9W/cm・K)和成熟的晶体工艺, 使得Nd:YAG成为本项目中激光振荡级激光增益介质的首选。

Nd:YAG晶体尺寸选为①3mmx40mm,掺杂Nd"浓度为1.1 at.%调 Q方式采用电光调Q方式，相比声光调Q和被动调Q方式，它具有 时序控制精确、关断能力高、脉宽压缩能力强等优点通过LASCAD 软件对谐振腔参量的优化设计，可输出光束质量因子m2^2的窄脉宽 激光输出，调Q重复频率10kHz,单脉冲能量几亳焦2.2脉冲选取设计从目前半导体泵浦固体激光器的研究现状来看，要获得重复频率 10kHz,单脉冲能量几十毫焦的脉冲激光输出，是非常困难的，其中 最难以克服的就是激光器的散热问题而高速PLIF诊断技术（＞lkHz, 甚至更高），为了能够以很高的时间分辨率（us量级）记录燃烧的瞬态 过程，提供燃烧的瞬态信息，迫切需要高重频脉冲激光，但分析PLIF 工作过程可发现：在整个工作过程中，并不需要10kHz高重频脉冲激 光器一直工作，只需要在一段短时间内能够以高重频工作即可，因此, 10kHz的高重频脉冲激光器可设计成间歇式工作方式，即产生高重频的 “脉冲串”用于PLIF测量即可因此，需要对10kHz高重频、高能量 激光振荡级输出的脉冲激光进行脉冲选取脉冲选取可以通过斩波的手段实现，但选取精度低，控制起来相对 困难，很难实现灵活的高精度脉冲选取，同时，振荡级输出的单脉冲激 光还容易将斩波器打坏。

因此，本系统中采用电光Q开关和偏振器的 组合实现脉冲的选取功能脉冲选取装置示意图如图1・4所示主要由2个全反镜（均镀对 1064nm的高反膜）、一个普克尔盒、一个偏振器和一个四分之一波片组 成具体的脉冲选取过程如下：10kHz高重频脉冲激光（p偏振）入射至偏振器，偏振器放置方向 为允许p偏振光透射，经偏振器透射后，经四分之一波片和全反镜后, 再次回到偏振器，此时p偏振光变为s偏振光，只能通过偏振器折射，入射到普克尔盒全反镜1普克尔盒全反镜2.卫土偏振器入/4■ A10kHz入射脉冲图1.4脉冲选取示意图•当普克尔盒上不加V阳4时，激光脉冲经全反镜1全反后再次通过普克尔盒，然后再经偏振器折射，经过X/4波片和全反镜2全反后 再次通过灯4波片，激光偏振方向再次改变90,由s光变为p光,此时可透射通过偏振器，此过程为非脉冲选取过程，如图1-5所示全反镜1PP图1-5非脉冲选取过程示意图•当普克尔盒上加Vx/4后（相当于插入一个以4波片），激光往返两次通过普克尔盒时偏振方向改变90,由s光变为p光，此时不 能通过偏振器反射，只能向下透射通过偏振器，并最终入射到激光放 大级中当采用方波信号对普克尔盒上Vx/4的加载时间进行控制时， 便可灵活地对脉冲个数进行选取。

脉冲选取过程示意图如错误！未找 到引用源选取的脉冲卅，其脉冲间隔由振荡级脉冲激光重复频率决定，脉 冲个数由普克尔盒上所加Vx/4的持续时间决定，脉冲串重频由Vx/4的 调制频率决定例如，对于激光振荡级产生10kHz的激光脉冲，经 过脉冲选取组成脉冲串后，如果通过外加方波信号控制普克尔盒上加 载的Vs的持续时间为1ms时，便可选取10个脉冲构成一个脉冲串， 其中每个脉冲间隔0.1ms,假如方波信号的重频为20Hz,则脉冲串重 频也为20Hz全反镜1。