高效重频大能量脉冲激光器关键技术研究

大能量重频脉冲激光器在基础科学、工业加工、国防建设等领域中有重要应用。此类激光器由于是重频运转,相对于单次运行的激光器,对热管理有更高的要求,相对于连续激光器,对自发辐射光放大(ASE)的控制有更高的要求。在满足以上两点主要要求的条件下如何提高激光器的转换效率、实现激光器紧凑化对其适应高要求的应用场景具有重要的意义。本文对高效紧凑的大能量重频脉冲激光器关键技术和物理问题进行研究,重点从激光器的热管理、ASE抑制、激光器光学构型等方面展开理论分析、设计与实验研究,主要研究内容与创新点如下:1.阐述了大能量重频脉冲激光器的研究背景,研究现状。对影响大能量脉冲激光器效率和紧凑性的关键问题作了定性分析,理清了设计此类激光器的技术难点和基本设计思路。2.分别针对不同应用场景的激光器热管理问题进行了设计与研制。针对水冷激活镜放大器的热管理与光束控制问题,采用流道优化、边缘热平衡设计、主动应力等方法,使得放大器在强泵浦下的高频波前畸变和增益介质在多物耦合应力加载下的像散得到有效控制。设计并研制了高速气冷模块和基于正十八烷固液相变的温控模块,掌握了大口径介质透射式气冷的关键技术、相变热管理关键技术,为百焦耳百赫兹脉冲激光器不同应用场景的热管理提供了解决方案。3.针对介质ASE抑制问题,提出了介质边缘切割成梯形多面体的边缘处理方法,解决了高折射率晶体无折射率匹配胶情况下的ASE光线导出问题,实现了激光介质高效储能,并消除了激活介质边缘产热跳跃,实现了边缘热平衡和ASE一体化控制。4.设计了基于Nd:YAG介质的十焦耳级重频激光器;初步设计了的基于单链路15J合束的百焦耳百赫兹激光器构型,并对关键参数进行了分析与计算,得到了采用相变热控的介质温度随运行时间变化情况;设计了单口径大能量气冷激光器构型,并对其中的关键参数进行了分析计算。开展了十焦耳级激光器单元性能测试和系统联调,国内首次实现10J-50Hz的脉冲激光输出。