[发明专利]高功率全固态激光多波长光谱合成装置

说明书

本发明提供一种高功率全固态激光多波长光谱合成装置，包括：至少两台具有不同激光增益介质的高功率子激光器、多波长光谱合成系统，多光谱合成反馈控制系统；所述高功率子激光器中，至少有两台具有不同的激光增益介质，可输出不同波长激光，组成多波长子激光束，所述多波长子激光束经过多波长光谱合成系统进行合束，多光谱合成反馈控制系统为合成装置提供反馈式控制，实时补偿高功率条件下，多波长光谱合成系统热效应引起的多波长激光束合束后光束离散、光束质量下降。

技术领域

本发明涉及全固态激光器领域，尤其涉及高功率全固态激光器光束合成装置。

背景技术

高功率全固态激光器(DPL)在先进制造、激光医疗、前沿科学和国家安全等领域有着极为广阔的应用前景。然而，在获得高平均功率全固态激光输出的同时，保持高光束质及稳定性等其它高性能参数运转是激光技术研究领域的热点也是难点。目前实现10kW级以上高功率全固态激光输出的方案主要有：单台激光器直接振荡或主振放大技术、以及光束合成技术。

对于单台固体激光器，随着激光功率的不断提高，由于受到内部物理因素以及结构因素的限制(如热效应、非线性效应、损伤阈值等)，使得输出激光的光束质量非线性下降，因此单台激光器难以获得100kW级以上的高光束质量激光输出。多光束合成技术将多束光合成为一束，有效降低每路子激光的热载荷，克服了每路子激光由于热效应引起的光束质量恶化，可以在保持光束质量的同时进一步提高输出光束的功率，实现亮度的提高，为解决上述难题提供了一条有效途径，是实现全固态高功率激光器高功率、高光束质量和高转换效率(“三高”)的一种重要技术手段，受到国际科学界广泛的兴趣，为高功率激光技术研究的一个热点方向。一般地，光束合成技术分为相干合成技术和非相干合成技术。

相干合成技术是指在各路子光束在波长、偏振方向和相位一致的条件下，所有子光束在空间某处相干叠加，从而提高中心光斑亮度。在理想条件下，N束功率相同的子激光相干合成，功率增加N倍，亮度提高N倍。但在实际应用过程中，多光束相干合成存在许多技术问题：相干合成的合成光斑存在较多旁瓣，降低了光束质量与亮度。

非相干合成技术是指多束非相干光在近场或远场简单地空间叠加，从而获得高输出功率。相比于相干合成技术，非相干合成技术无需对各路子激光器的频率、偏振和相位进行严格控制，因此结构简单、系统稳定，实际应用中相对容易实现，近年来也成为光束合成技术研究的热点之一。

常用的非相干合成技术主要有并偏振合成、并束合成、时序合成和光谱合成。偏振合成对特定偏振态的多束线偏光进行合成，光束合成数量受到一定的限制，并且高功率条件下激光器保偏难以实现，因此偏振合成技术在高功率激光合成实际应用较少。并束合成是将多路激光器简单地在空间并排排列，各激光器之间没有空间的干涉效应，只是能量上的一种简单叠加，并且光束质量随着组束路数的增加会急剧下降，不利于实际应用。

时序合成利用脉冲激光时间特性，将多束脉冲激光合为一束，脉冲合成器件精准控制为该技术面临很大的巨大挑战，为100kW级高功率全固态激光技术的重要发展方向。

光谱合成(又称为波长合成)是将一系列波长相近且略有不同的子激光按照一定的分布，经过色散元件(如棱镜或光栅)色散后空间指向一致，从而实现多束子激光合成。在理想条件下，光谱合成的总输出功率是单路激光器的N倍，光束质量与子激光器相当，为100kW级高功率全固态激光技术具有潜力的发展方向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

由于色散元件限制，现有高功率光谱合成技术存在以下两个问题：

1)色散元件的频谱范围有限，为了获得较多路数的激光合成，各路子激光只能保持微量的波长差，固体激光波长由能级决定，多个小波长差的高功率(10kW以上)单台固体激光困难；

2)光栅在高功率激光照射下会由于热效应导致光栅形变及损伤，影响合成光束的光束质量。