高功率固體激光器及其關(guān)鍵技術(shù)研究

1、高功率固體激光器及其關(guān)鍵技術(shù)研究院 系：信息科學(xué)與技術(shù)系專 業(yè) 班：光信息科學(xué)與技術(shù) 0802 班姓 名：鄒雅琴學(xué) 號：20081182054指導(dǎo)教師： 2012 年 5 月高功率固體激光器及其關(guān)鍵技術(shù)研究Research on high power solid state laser and its key technologyI摘 要高功率固體激光器具有高效、高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量、體積小、壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)，是軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研等領(lǐng)域的新一代理想光源。高功率固體激光器技術(shù)不僅在先進(jìn)制造等工業(yè)加工上有重要的應(yīng)用，同時也是對武器裝備性能影響巨大的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文首先介紹了高功率固體激光器

2、的現(xiàn)狀，依次介紹了圓棒激光器、薄片激光器、板條激光器和光纖激光器的性能特點(diǎn)與優(yōu)勢。闡述了發(fā)展高功率固體激光器技術(shù)的必要性及重要性，然后介紹了兩種高功率固體激光器技術(shù)：熱容激光技術(shù)和激光相干合成技術(shù)。由于激光束的相干合成技術(shù)在要求高功率、高亮度激光束的場合下有廣泛的應(yīng)用，和其他合成技術(shù)相比，這種技術(shù)具有簡單性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)容性，所以文中對這種技術(shù)做了詳細(xì)介紹。固體激光器的發(fā)展方向大體為：大功率器件將向高功率、高光束質(zhì)量發(fā)展，而戰(zhàn)略性應(yīng)用的高能 固體激光器將得到特別加強(qiáng)從而開發(fā)出更多新技術(shù) 。關(guān)鍵字：高功率固體激光器 激光器技術(shù) 相干合成IIAbstracthigh power solid sta

3、te lasers with high performance, high stability, high beam quality, small size, long life and other advantages, military, industrial, medical and scientific research and other next-generation ideal light sources in the field. High power all-solid-state laser technology in advanced manufacturing and

4、other industrial processes not only has important applications, but also the weapon one key technology for great performance. This article first describes the status of high power solid state lasers, and introduced Rod lasers, lasers, slice slab laser and Fiber Laser performance features and benefit

5、s. Explain the need for the development of high power solid state laser technology and the importance, and then introduces two high power solid state laser technology: heat capacity laser technology and laser coherent synthesis technology. Because laser beams coherent combination of technologies tha

6、t require high power, high brightness laser beam under a wide range of applications, compared with other synthesis technologies, thistechnology with simplicity, stability and expansion, this technology has been introduced. Development of solid state laser direction: to high power, high beam quality

7、of high-power device development, and strategic application of high power solid state lasers will be strengthened so as to develop more new technologies.The subject emphasis is placed on the design of high power solid state laser status, as well as research on key technologies of. Work is mainly thr

8、ough the information and their detailed understanding of the different types of research on high power solid state lasers and related technologies.Key words：high power solid state laser laser technology coherent combinationIII目 錄摘要IAbstract II緒論11 高功率固體激光器的現(xiàn)狀 21.1 圓棒激光器 21.2 板條激光器 41.3 薄片激光器 61.4 光纖

9、激光器82 高功率固體激光器技術(shù)研究102.1 熱容激光技術(shù)102.2 激光相干合成技術(shù)113 高功率固體激光器的應(yīng)用13結(jié)論14致謝15參考文獻(xiàn)16 1緒 論高功率固體激光器具有的獨(dú)特優(yōu)勢以及其廣闊的應(yīng)用前景。從誕生的第一臺激光器以來，激光技術(shù)的發(fā)展如雨后春筍般，逐步滲透到科研、醫(yī)療、工業(yè)和國防等眾多領(lǐng)域并產(chǎn)生巨大影響。以激光高技術(shù)為核心的相關(guān)產(chǎn)業(yè)已成為21世紀(jì)的的主流，并帶動了整個高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。激光技術(shù)的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防安全和科研領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用，是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略性，全局性和帶動性的戰(zhàn)略高技術(shù)。高功率固體激光器具有體積小、重量輕、效率高、光束質(zhì)量好、可靠性高、壽命

10、長、運(yùn)轉(zhuǎn)靈便等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為激光發(fā)展中最具有前景的代表。且它可通過變頻獲得寬波段輸出、便于模塊化和電激勵等應(yīng)用優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療、工業(yè)加工、軍事等領(lǐng)域，成為新一代性能卓越的綠色、節(jié)能光源。近年來，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的日臻完善和半導(dǎo)體激光器件性能的大幅增長，高功率固體激光器獲得了飛速發(fā)展，特別在輸出功率和光束質(zhì)量方面，美國已報(bào)道實(shí)現(xiàn)了光束質(zhì)量小于2倍衍射極限的萬瓦激光輸出，并計(jì)劃進(jìn)一步提高其功率至105W，用于機(jī)載戰(zhàn)術(shù)激光武器。針對傳統(tǒng)激光器實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光面臨的最大障礙之一的熱管理技術(shù)，還衍生出多種新型結(jié)構(gòu)的激光器而且均取得了顯著進(jìn)展，使得目前全固態(tài)激光器領(lǐng)域呈現(xiàn)百花

11、齊放的景象。本文綜述了近年來高平均功率固體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了目前獲得高平均功率固體激光的主要方式及最新進(jìn)展，分析評述了高平均功率固體激光器的發(fā)展趨勢，展望了其在工業(yè)和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景。近年來，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的日臻完善和半導(dǎo)體激光器件性能的大幅增長。高功率固體激光器獲得了飛速發(fā)展，特別在輸出功率和光束質(zhì)量方面。高功率固體激光器是應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)加工的新一代激光光源。與傳統(tǒng)的氣體激光器相比，具有體積小、重量輕、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。高功率固體激光器及其工業(yè)裝備已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的高速發(fā)展期，帶動了激光乃至整個光電子行業(yè)高速發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來，以激光技術(shù)為核心的激光加工技術(shù)很可能取代傳統(tǒng)工業(yè)加

12、工的地位，并推動人類科學(xué)技術(shù)革命和進(jìn)步。21 高功率固體激光器的現(xiàn)狀1.1 圓棒激光器圓棒激光器是目前發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的固體激光器構(gòu)造。其中圓棒增益介質(zhì)主要有Nd：YAG和Yb：YAG，按抽運(yùn)方式不同可分為端面抽運(yùn)和側(cè)面抽運(yùn)兩種方式。端面抽運(yùn)是指抽運(yùn)光從晶體棒的端面入射，激光沿晶體棒長度方向振蕩的抽運(yùn)方式。采用這種抽運(yùn)方式能使抽運(yùn)光和振蕩光較好地模式匹配，有利于獲得高效率近衍射極限激光輸出。因此，采用端面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的高功率全固態(tài)激光器轉(zhuǎn)換效率比較高，能獲得較好的光束質(zhì)量輸出。然而，端面抽運(yùn)方式受到諧振腔基模體積的約束，即要實(shí)現(xiàn)抽運(yùn)光和基?？臻g較好的匹配，需要抽運(yùn)光入射在激光介質(zhì)的端面面積較

13、小，這樣不僅限制了注入抽運(yùn)光功率，同時還在激光介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生較大的局部溫度梯度和復(fù)雜的熱光效應(yīng)，影響了光束質(zhì)量。由于溫度的變化導(dǎo)致晶體棒內(nèi)的熱應(yīng)力必須小于晶體自身碎裂應(yīng)力，以及端面鍍制的抽運(yùn)光和振蕩光的雙色膜的抗激光損傷閾值一般較低等因素，限制了注入的抽運(yùn)光功率，因此很難獲得千瓦級高平均功率輸出，目前獲得的高功率端面抽運(yùn)的全固態(tài)激光器輸出功率多在百瓦級【1】。盡管高功率固體激光器大多采用側(cè)面抽運(yùn)，但是端面抽運(yùn)帶來的高光束質(zhì)量及高效率等優(yōu)勢，一直是科學(xué)家們不斷追求的目標(biāo)，為了獲得高功率輸出，科學(xué)家們提出了許多極富創(chuàng)造力的新思想和新方案2。側(cè)面抽運(yùn)又稱為橫向抽運(yùn)，是指將LD陣列發(fā)出的抽運(yùn)光從晶體棒的側(cè)

14、面注入到晶體棒中，激光沿晶體棒長度方向振蕩的抽運(yùn)方式。側(cè)面抽運(yùn)方式結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低，采用單個激光模塊就能很容易輸出百瓦級甚至千瓦。然而，在側(cè)面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中，晶體棒中的增益分布很難與諧振腔本征基模很好地匹配，而且由于晶體棒中心的溫度比表面高得多，導(dǎo)致較嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)和熱退偏，降低了輸出激光的光束質(zhì)量。而且，抽運(yùn)光要經(jīng)過隔離冷卻液的管道和冷卻液才能到到達(dá)晶體棒，其中冷卻管道的內(nèi)外表面和晶體棒表面的對抽運(yùn)光的反射，冷卻液對抽運(yùn)光的吸收都會影響抽運(yùn)效率，因此側(cè)面抽運(yùn)的光光轉(zhuǎn)換效率普遍比端面抽運(yùn)要低，一般為40左右。不過由于側(cè)面抽運(yùn)很容易將高功率泵光注入到晶體棒中，因此較容易獲得高功率輸出，而

15、且通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，也能3獲得百瓦以上的近衍射極限的基模輸出。圓棒激光器工作時，主要有3個因素限制了激光器的T模輸出功率：熱應(yīng)力引起雙折射，使圓棒成為一個非單一焦距的透鏡。在通常腔長下，最大模半徑約為11mm，與棒的尺寸無關(guān)，因而限制了最大的模輸出功率；非均勻抽運(yùn)在棒內(nèi)引起光學(xué)畸變，隨著抽運(yùn)功率增加，這種熱畸變造成的衍射損耗比增益增加更快；棒的破裂應(yīng)力限制了它所能承受的抽運(yùn)強(qiáng)度，最終限制了輸出激光功率。因此，要獲得高平均功率、高效率、高光束質(zhì)量的激光輸出，首要條件是要保證抽運(yùn)的均勻性，同時還要保持高抽運(yùn)效率。這涉及到抽運(yùn)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、工作介質(zhì)的摻雜濃度以及濃度分布等；其次是設(shè)法消除或補(bǔ)償熱致雙折射，

16、但迄今還沒有找到完全補(bǔ)償?shù)姆椒āＳ梅乔蛎嫱哥R可以部分補(bǔ)償熱畸變，特別是針對某一固定的抽運(yùn)功率；由于光效正比于腔內(nèi)增益與損耗之比，因此采用高增益、低畸變的工作方式將有利于提高輸出平均功率。圓棒激光器的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。 圖1-1 圓棒激光器的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)剖面圖41.2 板條激光器板條激光器是 激光工作物質(zhì)為板條形狀的固體激光器。普通固體激光器激光工作物質(zhì)的幾何形狀為圓棒狀，溫度梯度的方向與光傳播方向垂直，在熱負(fù)荷條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)和熱光畸變效應(yīng)， 嚴(yán)重影響了激光器的輸出功率和光束質(zhì)量【3】。在板條激光器中，溫度梯度發(fā)生在板條厚度方向上 ，板條寬度方向上的兩側(cè)面被熱絕緣，而光

17、在厚度方向的 抽運(yùn)面上發(fā)生內(nèi)全反射，呈鋸齒形光路在兩泵浦面之間傳播，光傳播方向近似與溫度梯度方向平行，利用激光介質(zhì)的的對稱性和鋸齒形光路消除熱效 應(yīng)，從而減小激光束的熱透鏡效應(yīng)和光學(xué)畸變效應(yīng)，一次得以輸出更高的輸出功率和更好的光束質(zhì)量的激光。目前單根板條激光器連續(xù)輸出功率已超過千瓦，脈沖輸出能量超過百焦耳。其發(fā)展方向是用大功率半導(dǎo)體列陣激光器側(cè)向面泵浦，以獲得更高的效率和更好的光束質(zhì)量。板條激光晶體由于具有三組對稱面，因此有面抽運(yùn)、邊抽運(yùn)和端面抽運(yùn)三種抽運(yùn)方式。面抽運(yùn)由于抽運(yùn)面積較大，因而相應(yīng)抽運(yùn)功率密度較低，增益介質(zhì)內(nèi)增益分布較均勻，熱梯度較小，不足之處是冷卻面與抽運(yùn)面重合，冷卻介質(zhì)容易污染

18、抽運(yùn)面，降低抽運(yùn)效率。邊抽運(yùn)具有抽運(yùn)效率高，抽運(yùn)面與冷卻面相分離，有利于保持系統(tǒng)長期工作穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但是卻有著較為嚴(yán)重的熱光效應(yīng)，而且抽運(yùn)面較小，難以注入高功率抽運(yùn)光。端面抽運(yùn)板條與端面抽運(yùn)圓棒類似，將抽運(yùn)光從晶體的端面入射，由于板條激光器的端面面積通常更小而且為矩形，這對其耦合是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。此外，還可將板條切割成其他形狀，采用更靈巧的方式來抽運(yùn)。板條激光器的厚度或?qū)挾扰c抽運(yùn)吸收長度相匹配，一般通過鋸齒字形光路以補(bǔ)償厚度方向上的熱畸變。寬度方向尺寸根據(jù)激光輸出功要求設(shè)計(jì)，并采用邊緣絕熱技術(shù)控制該方向的熱流，減小溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量激光輸出。但板條側(cè)效應(yīng)、端效應(yīng)會影響光束質(zhì)量

19、并且要求的調(diào)節(jié)精度較高【4】。盡管如此，這種激光器在高功率抽運(yùn)下，由于板條固體激光器工作介質(zhì)寬、厚度比較大，仍然存在一定的熱透鏡效應(yīng)，在板條寬度的光束質(zhì)量較差 。在有限寬度和長度的板條中，邊緣效應(yīng)和端面效應(yīng)都會產(chǎn)生畸變；高功率抽運(yùn)下，板條仍然存在熱透鏡效應(yīng)和退偏；在薄板條中，放大自發(fā)輻射效應(yīng)也嚴(yán)重影響著激光效率和光束質(zhì)量；非軸對稱的板條不可避免會產(chǎn)生像散，使光束在兩個垂直5方有不同的光斑大小、光腰位置和波面曲率。為此，在板條構(gòu)型、諧振腔設(shè)計(jì)、冷卻結(jié)構(gòu)、激光材料介質(zhì)上做了許多的創(chuàng)新。值得注意的是，雖然板條具有較好的熱特性，但如果不解決抽運(yùn)的均勻性，仍然不可能獲得良好的效果。還需特別注意的是，即使

20、抽運(yùn)均勻，若介質(zhì)中增益分布不均勻，高功率固體激光器工作時仍然會造成波前畸變。因此，在抽運(yùn)耦合及分布的均勻性、增益介質(zhì)的動態(tài)光學(xué)均勻性、傳導(dǎo)冷卻和微通道熱沉的理論分析與數(shù)值模、熱管理、有源腔模場等還還需要進(jìn)一步的研究。19KW高功率板條激光器結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2 19KW高功率板條激光器端面抽運(yùn)的板條激光器結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-3 端面抽運(yùn)的板條激光器561.3薄片激光器薄片激光器由多個模塊組成，其中每個模塊由兩個平行放置的增益介質(zhì)薄片構(gòu)成，以一定距離間隔放置，在每個模塊內(nèi)部都有冷卻結(jié)構(gòu)，抽運(yùn)光束由模塊的兩側(cè)以平行或成一定角度入射到薄片介質(zhì)的表面。在左邊介質(zhì)薄片的右側(cè)面和郵編薄片的左

21、側(cè)面分別附著兩個金剛石熱沉，在兩個金剛石熱沉之間構(gòu)成一個冷卻液體通道，以便于對熱沉進(jìn)行冷卻【6】。 薄片激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是激光介質(zhì)具有大的口徑和厚度比，采用面抽運(yùn)、面冷卻，通過精密光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使光纖耦合輸出的抽運(yùn)光在晶體薄片中多次通過，增加對其吸收。這種結(jié)構(gòu)的熱梯度分布方向與激光束傳播方向相同，避免了熱透鏡效應(yīng)引起的不利影響，而且，薄的晶體明顯降低了 Yb：YAG 的重吸收損耗，從而提高了轉(zhuǎn)換效率。因此，薄片激光十分適合高亮度、高平均功率發(fā)展的需要。其不足之處在于：光學(xué)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，元器件多，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性；高功率抽運(yùn)時要求在很小的面積內(nèi)將千瓦級的熱帶走，其散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分困難。薄片激光器

22、通過設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)端面抽運(yùn)、側(cè)面抽運(yùn)以及混合抽運(yùn)。端面抽運(yùn)的結(jié)構(gòu)，將薄片增益介質(zhì)采用某種方式焊接在微通道冷卻的熱沉上，這個過程應(yīng)設(shè)法避免薄片介質(zhì)在焊接過程中引入的應(yīng)力。薄片增益介質(zhì)的后端面作為腔鏡鍍抽運(yùn)光和激光的高反膜，前端面鍍二者的增透膜，輸出鏡一般采用球面鏡。抽運(yùn)光以一定的角度入射在增益介質(zhì)上，兩處通過增益介質(zhì)后，出射的剩余抽運(yùn)光再次被反射回增益介質(zhì)，如此反復(fù)，抽運(yùn)光多次通過薄片介質(zhì)最后達(dá)到很高的吸收值，整個過程要求抽運(yùn)盡量均勻化【7】。 薄片激光器的原理就是將增益介質(zhì)加工成很薄的薄片狀，其中一個表面制備對泵浦光和激光的高反膜，然后將該面焊接到水冷系統(tǒng)上，該平面還充當(dāng)激光器的一個腔鏡。在縱向平

23、頂泵浦光作用下，該結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生垂直于晶體表面均勻的熱流，因而梯度方向與輸出光束方向一致，可以有效克服熱透鏡效應(yīng)【8】。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是要保證在一定吸收率的前提下，有效減少晶體兩端溫差。目前，千瓦級薄片激光器已經(jīng)形成產(chǎn)品，與商用棒狀激光器相比，其光束質(zhì)量至少要好 3 倍，而且薄片激光器的光束質(zhì)量還在不斷提升，結(jié)合熱容量工作模式，可能發(fā)展成為新一代高功率固體激光器。面抽運(yùn)的薄片激光器結(jié)構(gòu)如圖 1-4 所示。7 圖 1-4 面抽運(yùn)的薄片激光器結(jié)構(gòu)示意圖邊緣抽運(yùn)的薄片激光器結(jié)構(gòu)如圖 1-5 所示。 圖 1-5 邊緣抽運(yùn)的薄片激光器結(jié)構(gòu)圖81.4光纖激光器光纖激光器是近年來激光領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一，也

24、是目前實(shí)現(xiàn)高平均功率、高光束質(zhì)量激光的重要手段之一。光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路構(gòu)成諧振腔便可形成激光振蕩輸出。雙包層光纖是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖，它由纖芯、內(nèi)包層和外包層組成，比常規(guī)的光纖增加了一個內(nèi)包層。其中，纖芯一般摻有稀土離子，如：Nd3+，Yb3+或Er3+等，其直徑在微米至幾十微米量級，是單模激光的傳輸波導(dǎo)；內(nèi)包層包繞在纖芯的外圍，是抽運(yùn)光的傳輸波導(dǎo)，其直徑和數(shù)值孔都比較大，多為百微米，因此與傳統(tǒng)光纖激光器需要

25、將抽運(yùn)光耦合到纖芯相比，雙包層光纖激光器只需要將抽運(yùn)光耦合到雙包層中即可，其耦合效率很高。抽運(yùn)光在內(nèi)包層傳輸時，以全反射方式反復(fù)穿越纖芯，被纖芯內(nèi)的稀土離子吸收，從而產(chǎn)生單模激光，并具有很高的轉(zhuǎn)換效率，如摻鐿光纖的光一光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80以上【9】。近年來，隨著雙包層光纖制造技術(shù)、高功率LD抽運(yùn)源技術(shù)以及先進(jìn)的光束整形技術(shù)等的迅速發(fā)展，高功率光纖激光器技術(shù)也在日新月異，其關(guān)鍵技術(shù)包括包層抽運(yùn)技術(shù)、諧振腔技術(shù)和調(diào)制技術(shù)等都獲得了重大突破。包層抽運(yùn)技術(shù)主要有端面抽運(yùn)和側(cè)面抽運(yùn)兩種方式。端面抽運(yùn)又可以分為透鏡直接耦合、光纖端面熔接耦合和多個小功率LD端面耦合等方式，它具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但存在輸出功率

26、有限，不容易擴(kuò)展的缺點(diǎn)，目前實(shí)現(xiàn)千瓦級的高功率激光輸出大都采用端面抽運(yùn)或雙端抽運(yùn)的結(jié)構(gòu)；側(cè)面抽運(yùn)主要有V形槽法、狹縫法、角度磨拋法、二元衍射光柵嵌入鏡法、熔接法、分布式包層和集中抽運(yùn)等方式，功率容易擴(kuò)展，但工藝非常復(fù)雜，目前國際上采用側(cè)面抽運(yùn)能實(shí)現(xiàn)高功率輸出的還不多，處于研究狀態(tài)。雙包層光纖激光器的諧振腔主要有兩種方式，一是利用雙色鏡作為腔鏡，與傳統(tǒng)的固體激光器類似，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但無法實(shí)現(xiàn)全光封裝，可靠性稍差，且不利于光纖激光器的實(shí)用化和產(chǎn)品化。另一種方式是采用光纖光柵作為諧振腔鏡，光纖光柵具有非常好的波長選擇特性，損耗低，并且可以和光纖熔接在一起，使抽運(yùn)光耦合變得比容易而且效率很高，整

27、體的可靠性提高很多，易于實(shí)現(xiàn)全光結(jié)構(gòu)，9利于實(shí)用化和產(chǎn)品化。目前兩種方式均被采用，但高功率的光纖激光器對光纖光柵的工藝要求很高，國內(nèi)目前尚難以實(shí)現(xiàn)。原則上說，任何一類激光器單路輸出功率總是有限的。為提高激光器的輸出功率。必須采用功率合成。對于高功率的光纖激光器，功率合成顯得最為迫切。根據(jù)應(yīng)用需要，功率合成可以是相干或非相干的。非相干功率合成已有比較成熟和長期的應(yīng)用了。它可以是空間、時間或光譜上的疊加。例如激光聚變研究，已采用了幾十、上百路的空間疊加合成【10】。多路脈沖激光可以從時間上疊加成同一光路的重復(fù)頻率更高的激光。但相干功率合成在有的應(yīng)用場合更是迫切需要的。高功率光纖的相干合成還沒有實(shí)質(zhì)

28、性的突破，為了發(fā)展成武器級的應(yīng)用，光纖激光器的相干合成技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)【11】。但目前僅有中小功率范圍的研究結(jié)果，而且相干合成后系統(tǒng)的復(fù)雜性大為增加。其中一個重要原因是光纖是一個對物理量極其敏感的元件，在高平均功率下控制其波面遠(yuǎn)比塊狀介質(zhì)的難。因此，高功率新相干合成技術(shù)的理論、實(shí)驗(yàn)都有待突破。如果高功率光纖激光器相干合成技術(shù)能進(jìn)入實(shí)用，將構(gòu)成新一代超高平均功率激光器，特別是建成 “相控陣”激光器，其意義將是不可估量的。隨著雙包層光纖技術(shù)、高功率抽運(yùn)源技術(shù)和抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展，單根光纖激光器的連續(xù)輸出功率很快從百瓦量級發(fā)展到千瓦量級。雙包層光纖結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。10圖1-6 雙包層光纖示意圖2

29、高功率固體激光器技術(shù)研究2.1 熱容激光技術(shù)固態(tài)激光器熱容運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)由美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室1998年提出的【12】。激光器先在無冷卻的條件下發(fā)射激光，當(dāng)激光發(fā)射停止時再對晶體進(jìn)行冷卻。該運(yùn)轉(zhuǎn)模式突破性地從時間上將激光發(fā)射和晶體冷卻分為兩個交替發(fā)生、相輔相成的階段，大大降低了傳統(tǒng)冷卻方式中由于晶體表面及其內(nèi)部溫度梯度過大而導(dǎo)致的光學(xué)畸變和物理變形等不利影響，因此發(fā)射的激光能同時具有高的輸出功率和光束質(zhì)量，而且可以使用大尺寸激光晶體以提高輸出功率。該運(yùn)轉(zhuǎn)方式利用固體激光介質(zhì)的熱容存儲廢熱，以減小溫度梯度造成的熱畸變，所以需要使用熱容較大的增益介質(zhì)材料，發(fā)射激光時廢熱存儲在增益介質(zhì)里，所以發(fā)射

30、激光時間不能過長，只能間歇式工作，通常在秒級。熱容激光器最常用的激光晶體是Nd：GGG，近年來也逐步開始采用Nd：YAG，尤其是大尺寸的陶瓷Nd：YAG。這種陶瓷材料不僅具有單晶的光學(xué)性能，而且由于陶瓷材料的制備工藝與單晶生長完全不同，不受坩鍋和晶體應(yīng)變限制，可制備大尺寸陶瓷激光材料，而且制備周期短，僅為單晶生長周期的幾十分之一；費(fèi)用低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)；易于摻雜等優(yōu)點(diǎn)，成為最受關(guān)注的激光晶體之一。熱應(yīng)力造成固體工作介質(zhì)破壞，從而限制了固體激光器的最大輸出平均功率。抽運(yùn)光通過表面進(jìn)入工作介質(zhì)，冷卻也是通過表面進(jìn)行的。通常工作時抽運(yùn)和冷卻是同時進(jìn)行的，工作介質(zhì)表面的溫度比內(nèi)部的低，表面受到拉應(yīng)力

31、。熱容激光技術(shù)在抽運(yùn)和激光發(fā)射期間不對工作介質(zhì)冷卻，激光發(fā)射停止后的間歇期間才對工作介質(zhì)冷卻，然后進(jìn)入下一個循環(huán)。因此激光發(fā)射期間工作介質(zhì)表面的溫度比內(nèi)部的高。表面受到壓應(yīng)力。由于固體激光工作介質(zhì)抗壓遠(yuǎn)大于抗拉，因此，熱容模式工作時，工作介質(zhì)可承受比通常工作模式高幾倍的平均功率而不致因熱應(yīng)力造成破壞。由于間歇時間致冷，可以采用自然風(fēng)冷，整體結(jié)構(gòu)減小，適合某些軍用場合。熱容工作模式的一個缺點(diǎn)是需要間歇時間以便對工作介質(zhì)進(jìn)行冷卻。如果用已冷卻的工作介質(zhì)代替受熱的，那么就可以縮短激光系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的間歇時間【13】。熱容模式工作時，不專門對工作介質(zhì)進(jìn)行冷卻，工程上既沒有、也沒有必要對工作介質(zhì)熱絕緣。11雖

32、然工作介質(zhì)中的熱畸變比常規(guī)模式工作的低，但由于介質(zhì)要向周圍環(huán)境散熱，以及抽運(yùn)的不均勻等，必然要在工作介質(zhì)中造成熱畸變，因此熱容模式工作不應(yīng)作為獲得高光束質(zhì)量的一種手段。幾乎所有幾何形狀的塊狀固體介質(zhì)都采用熱容激光技術(shù)，高功率固體激光器大多采用盤片狀工作介質(zhì)，這是因?yàn)楦鞣N瞬態(tài)光-機(jī)形變與工作介質(zhì)的幾何形狀有關(guān)，盤片激光介質(zhì)的熱特性良好，而且可以使其變形與激光軸線方向基本一致，因此可保持良好的光束質(zhì)量，而且通過增加盤片的面積和數(shù)量可以增加激光系統(tǒng)的輸出功率。2.2 激光相干合成技術(shù) 自從激光技術(shù)產(chǎn)生之日起，具有高功率和高質(zhì)量特性的激光系統(tǒng)就是人們不斷追求和發(fā)展的目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有兩種方式：1

33、、通過設(shè)計(jì)優(yōu)化等方式提高單個激光器的輸出功率；2、采用若干較低輸出功率的激光器組成的陣列進(jìn)行組束輸出，獲得高功率的同時保持高的光束質(zhì)量。第二種方式就稱為激光相干合成技術(shù)，從另一方面看，這種技術(shù)可以將現(xiàn)有的組束技術(shù)和激光器技術(shù)結(jié)合起來，是一種技術(shù)的集成，它可以直接利用眾多成熟的中小功率激光器的技術(shù)研究成果，可以避免大功率器件所特有的光學(xué)非線性效應(yīng)和工作介質(zhì)的光學(xué)損傷、熱損傷等問題，可以在不顯著劣化單臺激光器良好光束質(zhì)量的情況下獲得比單臺激光器輸出功率高得多的激光束。它的典型代表是2003年由美國諾格公司提出的MOPA結(jié)構(gòu)。2006年，該研究所采用這種結(jié)構(gòu)成功地將2個激光放大鏈輸出的激光鎖相相干合

34、成，得到功率19 kW，光束質(zhì)量小于2倍衍射極限的激光輸出。單臺固體激光器雖然可以通過定標(biāo)放大提高輸出功率，由于受到穩(wěn)定性、熱效應(yīng)、激光介質(zhì)本身特性等結(jié)構(gòu)因素的限制，目前很難獲得超過萬瓦的高光束質(zhì)量輸出【14】。近年來，為了獲得更高平均功率的激光輸出，激光相干合成技術(shù)逐漸成為科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。激光束的相干合成技術(shù)在要求高功率、高亮度激光束的場合下有廣泛的應(yīng)用。和其他合成技術(shù)相比，這種技術(shù)具有簡單性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)容性。自由空間光通訊要求高功率高亮度激光束，以使光束可以在較長距離內(nèi)傳輸。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，可以利用高功率高亮度激光束進(jìn)行切割、焊接、鉆探和給這種物品打標(biāo)，而且隨著激光12束功率和亮度的增

35、高，處理速度加快，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。激光束的相干合成是一種通過對多束波長相同的激光進(jìn)行精密的相位控制，使它們的輸出相位保持一致，實(shí)現(xiàn)多束激光的相干疊加的技術(shù)。它能在保持良好光束質(zhì)量的前提下，將多束中小功率激光的功率進(jìn)行疊加，為獲得高功率高亮度激光提供了一條有效的途徑。目前應(yīng)用較為廣泛的主要有有源相位控制技術(shù)和自適應(yīng)鎖相技術(shù)，均取得了較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。有源相位控制技術(shù)，是一種主動式的閉環(huán)有源相位校正技術(shù)，即利用反饋系統(tǒng)與相位控制元件實(shí)現(xiàn)對各個激光束相位的控制自適應(yīng)鎖相技術(shù)，是一種被動式的無源自適應(yīng)相位校正技術(shù)，即將多個激光器組成一個自適應(yīng)復(fù)合腔，通過引入新的選模機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各個激光器間輸出能量的

36、相互影響，并最終達(dá)到相位鎖定。國內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段，但是已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。自從半導(dǎo)體激光抽運(yùn)技術(shù)誕生以來，固體激光器的高效率和高亮度輸出正在引起激光技術(shù)領(lǐng)域一場新的革命。但由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)，熱損傷等物理機(jī)制的限制。激光相干合成技術(shù)技術(shù)的意義在于，在保證高光束質(zhì)量的同時，提高了輸出光束的功率，實(shí)現(xiàn)了亮度的提高，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的傳輸，內(nèi)部的模塊化結(jié)構(gòu)分散了熱效應(yīng)，克服了熱造成的高能激光平均亮度下降的主要影響因素。因此，對于內(nèi)部能量高度集中的高功率固體激光傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)而言，基于相干合成的新型體系結(jié)構(gòu)有可能解決亮度和熱度管理兩個難題，已經(jīng)成為高能激光技術(shù)發(fā)展的重要方向。由于固體激光器

37、的相干合成技術(shù)在國防和民用的多個領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，目前國內(nèi)外多個國家研究機(jī)構(gòu)都開展了相關(guān)研究，比較常用的方法有基于震蕩功率放大器結(jié)構(gòu)的主動相位控制法和自組織相干合成法。主動相位控制相干合成的基本原理是主振蕩激光器作為種子激光器，輸出的光束經(jīng)分束器分為N路，每一路個均含有一個相位調(diào)制器和一個放大器，相位調(diào)制器的后端接隔離器加以保護(hù)。同時還分出一路作為參考光，光路上設(shè)置移頻器。多路光束通過準(zhǔn)直器陣列輸出，陣列光束經(jīng)過分光鏡后，一部分光束進(jìn)入探測與控制模塊，得出每路的相位校正器件的控制電壓，實(shí)現(xiàn)對相位變化的實(shí)時補(bǔ)償，確保準(zhǔn)直器陣列輸出的光束相位保持一致【15】。自主相干合成是一種自組織機(jī)理的無源

38、相位自調(diào)整方案，其基本思路是通過激光器陣列單原件的能量相互注入耦合實(shí)現(xiàn)自動的相位鎖定，合適的能量耦合方式13和足夠的耦合強(qiáng)度是自組織鎖相有效進(jìn)行的關(guān)鍵影響因素。該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)，無需復(fù)雜的外部反饋控制回路。143 高功率固體激光器的應(yīng)用 高功率固體激光器在激光加工領(lǐng)域的應(yīng)用主要有激光切割、焊接、表面處理和快速成型等。激光加工不僅極大地提高了工效和質(zhì)量，而且有些加工工藝非激光莫屬。發(fā)達(dá)國家的加工行業(yè)已經(jīng)逐步進(jìn)入了激光加工時代。比如德國的激光加工裝備居于世界領(lǐng)先地位，尤其是在汽車制造和汽車配件行業(yè)中，激光加工技術(shù)被廣泛采用。日本激光加工占到整個加工制造業(yè)的10以上【17】。目前的高功

39、率激光加工中多采用C02激光器和燈泵固體激光器，高功率固體激光器由于價(jià)格因素的限制，其應(yīng)用剛剛起步。國內(nèi)高功率激光應(yīng)用于工業(yè)加工起步晚，但發(fā)展很快，高功率固體激光器用于工業(yè)加工將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，大幅度提升我國工業(yè)加工的國際競爭力。在潛艇、軍艦、航母等船舶的器制造過程中，需要對復(fù)雜形狀的厚鋼板進(jìn)行焊接、切割、表面處理等加工。近年來，歐美等發(fā)達(dá)國家將固體激光加工技術(shù)引入航母、潛艇、軍艦等船舶的制造過程中，船體分段制造、拼接總裝而成。此外，采用激光焊接的精密網(wǎng)狀合金鋼結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)船體并減輕重量的技術(shù)也被廣泛采用。美國的航空母艦采用該技術(shù)，使該航母的重量降低約200噸【18】。同時，為了在變化

40、多樣的海洋漩流中保持較高的航速，船體都被設(shè)計(jì)成具有復(fù)雜的三維曲率形狀以減小阻力，這樣的船體采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工不僅費(fèi)時、費(fèi)力，而且難度相當(dāng)大。如采用激光加工技術(shù)則能大幅度提高制造精度、加工強(qiáng)度和生產(chǎn)效率。高功率固體激光器直接應(yīng)用于軍事領(lǐng)域也顯示出了越來越旺盛的生命力。激光武器具有速度快、射擊時無需提前量；機(jī)動靈活、攔擊目標(biāo)多；精度高、可專打目標(biāo)要害部位；無污染；效費(fèi)比高；不受電磁干擾等顯著優(yōu)點(diǎn)，在激光致盲、光電對抗、激光軟硬殺傷、激光點(diǎn)火核聚變、同位素分離等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。激光武器作為未來最主要的戰(zhàn)略性武器之一將遍及海陸空天，在戰(zhàn)場上的全局性作用不可替代。15結(jié) 論高功率固體激光器經(jīng)過幾十

41、年的發(fā)展，人們在抽運(yùn)方式、工作介質(zhì)、光路設(shè)計(jì)、工作模式、光束質(zhì)量控制等方面不斷創(chuàng)新，使激光器成功實(shí)現(xiàn)了高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。其中，千瓦級的激光器已經(jīng)大量被用于工業(yè)加工，在材料處理、激光打標(biāo)、激光焊接等領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用背景。 由于大功率激光器迅速發(fā)展，促成固體激光器的研發(fā)工作得以卓有成效地展開，并取得了諸多顯著成績。傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器的賴以占據(jù)世界激光器市場主導(dǎo)地位的所有運(yùn)轉(zhuǎn)方式，均可以通過半導(dǎo)體激光器泵浦成功地加以實(shí)現(xiàn)。通常應(yīng)用在激光打標(biāo)機(jī)、激光劃片機(jī)、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)，激光去重平衡、激光蝕刻等系統(tǒng)中。由于全固態(tài)激光器具有高光電轉(zhuǎn)換效率、高功率、高穩(wěn)定性、高可靠性、壽命長、

42、體積小等優(yōu)勢，采用固體激光器已成為激光加工設(shè)備的趨勢和主流方向。通過對四種高功率固體激光器的性能分析，特點(diǎn)與優(yōu)勢，闡述了研究高功率固體激光器的必要性及重要性，然后著重介紹了兩種關(guān)鍵技術(shù)。通過熱熔激光技術(shù)可以獲得較高的輸出功率，高的光束質(zhì)量。激光束的相干合成技術(shù)具有簡單性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)容性，國防和民用的多個領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然，不同種類的固體激光器除了自身的優(yōu)勢之外也有不足之處，所以這些都還待進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。（1）圓棒激光器中晶體棒中心的溫度比表面高得多，導(dǎo)致較嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)和熱退偏，降低了輸出激光的光束質(zhì)量，因此側(cè)面抽運(yùn)的光光轉(zhuǎn)換效率普遍比端面抽運(yùn)要低，一般為40左右.（2）板條激

43、光器的不足之處是冷卻面與抽運(yùn)面重合，冷卻介質(zhì)容易污染抽運(yùn)面，降低抽運(yùn)效率。（3）薄片激光器的不足之處在于：光學(xué)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，元器件多，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性；高功率抽運(yùn)時要求在很小的面積(內(nèi)將千瓦級的熱帶走，其散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分困難。（4）光纖激光器中端面抽運(yùn)技術(shù)有輸出功率有限，不容易擴(kuò)展的缺點(diǎn)；側(cè)面抽運(yùn)技術(shù)的功率雖然容易擴(kuò)展，但工藝非常復(fù)雜，目前國際上采用側(cè)面抽運(yùn)的技術(shù)不多。16致 謝經(jīng)過半年的忙碌和準(zhǔn)備工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)快要結(jié)束了，作為一名大四畢業(yè)生，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方。從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫編排整個過程中，我得到了許多的熱情幫助。首先要感謝李老師細(xì)心的指導(dǎo)，李老師多次詢問論文的準(zhǔn)備情況，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵，并對我的論文提出了很多寶貴的意見。李老師一絲不茍的作風(fēng)，是我學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作，感謝李老師對我的關(guān)心和照顧, 在此表示最誠摯的謝意。 其次還要感謝大學(xué)