一種消除激光器增益模塊因窗口形變造成的波前畸變的裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是激光器模塊像差消除技術，尤其是一種消除激光器增益模塊因窗口形變造成的波前畸變的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]高能固體激光器在醫療、工業和軍事領域有著重要的應用。然而激光器在運行時會產生大量的廢熱，這些廢熱往往會誘導許多熱效應，比如熱透鏡效應，熱致雙折射效應和熱應力等，這些熱效應很大程度上限制了激光器功率的進一步提升以及造成光束質量的嚴重惡化。因此固體激光器的熱管理在激光技術領域顯的尤為重要。近年來出現了許多新型的裝置結構，用于實現對激光器的熱管理，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的一種能夠實現比較高效、及時散熱的激光器。這類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，冷卻液，單層窗口和機械固定件組成。多片增益介質平行放置，介質與介質之間充滿液體，通常冷卻液以一定的速度流動帶走晶體產生的廢熱，增益模塊兩端由窗口密封。其優勢在于增益介質完全浸沒在冷卻液中，冷卻液通過外循環裝置，迅速帶走增益介質表面的余熱，很好的實現熱管理，同時增益介質可以數片乃至數十片的串接在一起與冷卻液共同組成一個增益模塊，整個增益模塊體積可以非常小。同時由于激光是透射式通過整個增益模塊，避免了傳統固體增益介質(薄片、板條)焊接到冷卻器時帶來的表面形變，以及由于反射式提取帶來的光軸漂移等諸多問題。
[0004]如前文所述，由于是透射式模塊，激光運行時將通過整個增益模塊中的每一片增益介質和增益介質之間的流體以及窗口，而增益介質兩旁是冷卻液填充，因此，即使晶體在裝夾時產生一定的形變，由于冷卻液的折射率選擇和晶體的折射率通常比較接近，光通過變形的晶體和冷卻液后光程差基本沒有變化，因此不會造成整個模塊的波前畸變。這與增益模塊的窗口不同，窗口內為冷卻液而外層是直接與空氣接觸的，因此窗口發生形變將直接造成激光通過模塊后光程差不再相同，即所謂的模塊產生波前畸變。例如，當冷卻液在模塊內高速流動時，由于模塊窗口承受了很大的壓力而由平面變成了球面，此時整個模塊類似于一個凸透鏡，透鏡里面是液體、增益介質和窗口，這三者折射率可以基本看成相等，而外面是空氣，其折射率遠小于上述三種物體。當激光通過此類類似于透鏡的模塊時會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，其一是裝夾應力造成，其二是液體在流動時由于窗口承受很大的壓力也會造成窗口形變。這些形變將導致直接液冷固體激光模塊產生很大的波前畸變，影響激光器功率的輸出。在激光器工作狀態下，窗口形變造成的模塊波前畸變有時甚至可以達到熱對模塊造成波前畸變的程度。特別是激光器在非穩腔工作模式下，其對光束質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重要。
【發明內容】
[0007]本發明的目的，就是針對現有技術所存在的不足，而提供一種消除激光器增益模塊因窗口形變造成的波前畸變的裝置及方法的技術方案，該方案能夠有效消除內窗口形變所導致的波前畸變。
[0008]本方案是通過如下技術措施來實現的:
一種消除激光器增益模塊因窗口形變造成的波前畸變的裝置，包括有激光增益模塊、折射率匹配液、外窗口、第一機械固定件；激光增益模塊包括有激光增益介質、第二機械固定件和內窗口 ；激光增益介質和內窗口固定在第二機械固定件上；內窗口和激光增益介質之間的空間填充有冷卻液；第一機械固定件設置在激光增益模塊的外側；外窗口設置在第一機械固定件上；外窗口與激光增益模塊之間填充有折射率匹配液。
[0009]作為本方案的優選:外窗口通過膠水黏結在第一機械固定件上。
[0010]作為本方案的優選:外窗口的橫向通光尺寸大于內窗口的橫向通光尺寸。
[0011]作為本方案的優選:激光增益介質為Nd = YAG晶體或Nd = YLF晶體。
[0012]作為本方案的優選:冷卻液為水或重水或四氯化碳液體；所述激光增益介質浸在冷卻液中，冷卻液流過激光增益介質表面。
[0013]—種消除激光器增益模塊因窗口形變造成的波前畸變的方法，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窗口的橫向通光口徑，以確保通過內窗口的激光都能通過外窗口；
步驟二、用膠水將外窗口黏結在第一機械固定件上；
步驟三、將冷卻液注入激光增益介質和內窗口之間的空間，并使冷卻液保持循環流動；
步驟四、將折射率匹配液注入外窗口和內窗口之間的空間。
[0014]作為本方案的優選:折射率匹配液的折射率為nl，冷卻液的折射率為n2，內窗口的折射率為n3，空氣的折射率為n4，|nl_n2| < n2_n4。
[0015]作為本方案的優選:nl=n2=n3。
[0016]作為本方案的優選: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對上述方案的敘述得知，由于在該方案中外窗口與第一機械固定件之間的連接采用膠水粘連，外窗口不會因裝夾應力而發生形變，同時由于外窗口中匹配液不流動，內部無壓力，不會造成外窗口變形。同時在外窗口和內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，內窗口的折射率為n3，當|nl-n2| < n2_n4時，即使內窗口發生形變，波前畸變能夠部分消除；inl=n2=n3時，波前畸變能夠完全消除。
[0018]由此可見，本發明與現有技術相比，具有突出的實質性特點和顯著地進步，其實施的有益效果也是顯而易見的。
【附圖說明】
[0019]圖1是傳統的直接液冷固體激光器增益模塊裝置的結構示意圖； 圖2是本發明的直接液冷固體激光器增益模塊裝置的結構示意圖；
圖3是傳統的直接液冷固體激光器單增益介質雙流道增益模塊裝置的結構示意圖；
圖4是本發明的直接液冷固體激光器單增益介質雙流道增益模塊裝置的結構示意圖；圖5是傳統的直接液冷固體激光器單增益介質雙流道增益模塊裝置窗口內冷卻液靜止時波前測量結果；
圖6是本發明的直接液冷固體激光器單增益介質雙流道增益模塊裝置窗口內冷卻液靜止時波前測量結果；
圖7是傳統的直接液冷固體激光器單增益介質雙流道增益模塊裝置窗口內冷卻液平均流速為6m/s時波前測量結果；
圖8是本發明的直接液冷固體激光器單增益介質雙流道增益模塊裝置窗口內冷卻液平均流速為6m/s時波前測量結果。
[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為第一機械固定件，6為第二機械固定件，7為激光增益介質，8為冷卻液，9為內窗口。
【具體實施方式】
[0021]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，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]本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0023]如圖1所示，為傳統的直接液冷固體激光器增益模塊(1)，包括第二機械固定件
(6)、激光增益介質(7)、冷卻液(8)、內窗口(9)。激光增益介質(7)完全浸入在冷卻液(8)中，冷卻液(8)通過外循環將激光增益介質(7)表面的熱量帶走，第二機械固定件(6)主要用于固定激光增益介質(7)和內窗口(9)，以及確保激光增益介質(7)與激光增益介質
(7)之間的間距以及激光增益介質(7)與內窗口(9)之間的間距。流道的厚度以及冷卻液的厚度根據實際的栗浦功率和栗浦方式而定，可以從微米量級到厘米量級。在傳統的增益模塊中，由于機械裝夾應力以及冷卻液快速流動，增益模塊內壓力比