激光总体方案

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。

假设采用闪光灯泵浦的固体激光器方案，可以很容易获得几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工程指标及应用需求。

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。

为满足本工程大能量的要求，本高重频大能量激光泵浦系统可采用振荡—放大〔MOPA，Master Oscillator and Power Amplifier〕构造，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工程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，便可获得满足工程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局部脉冲组成脉冲串，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〕构造对选取的脉冲串进展能量放大。

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
本系统主要由四局部组成，分别为10kHz高重频脉冲输出局部、脉冲选取局部、脉冲放大局部和频率扩展局部。

各局部详细组成如下：
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、和频晶体组成
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，单脉冲能量几毫焦的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λ/4波片后偏振方向改变90o，p光变为s光。

此时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2。

●当普克尔盒2上不加Vλ/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λ/4波片和全反镜3全反后再次通过λ/4波片，激光偏振方向再次改变90o，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90o，由p光变为s光，不能通过偏振器1，这会防止反应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Vλ/4后〔相当于插入一个λ/4波片〕，激光往返两次通过普克尔盒2时偏振方向改变90o，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90o，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V λ/4的加载时间进展控制时，便可灵活地对脉冲串进展选取。

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：
f =1-20Hz 脉冲个数脉冲间隔
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0.1ms 。

通过外加方波信号控制普克尔盒2上
加载的V λ/4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展两级能量放大，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 λ/4的持续时间决定，
脉冲串重频由Vλ/4的调制频率决定。

在单脉冲工作模式下：激光振荡级产生10kHz的激光脉冲，控制普克尔盒2上加载Vλ/4的持续时间为0.1ms时，即选取
1个脉冲，Vλ/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60mJ1064nm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
2.110kHz高重频脉冲激光器设计
全反镜输出镜
Nd:YAG模块
图1-3 激光振荡级示意图
10kHz高重频脉冲激光器构造示意图如图1-3所示。

谐振腔采用平平热稳直线腔构造，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 s，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〔2.8×10-19cm2〕、较高的热导率〔~12.9W/cm·K〕和成熟的晶体工艺，使得Nd:YAG成为本工程中激光振荡级激光增益介质的首选。

Nd:YAG晶体尺寸选为Φ3mm×40mm，掺杂Nd3+浓度为1.1at.%。

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，它具有时序控制准确、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，单脉冲能量几毫焦。

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，其中最难以克制的就是激光器的散热问题。

而高速PLIF诊断技术〔≥1kHz，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展脉冲选取。

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
图1-4脉冲选取示意图
当普克尔盒上不加Vλ/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λ/4波片和全反镜2全反后再次通过λ/4波片，激光偏振方向再次改变90o，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。

图1-5非脉冲选取过程示意图
当普克尔盒上加Vλ/4后〔相当于插入一个λ/4波片〕，激光往返两次通过普克尔盒时偏振方向改变90o，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Vλ/4的加载时间进展控制时，便可灵活地对脉冲个数进展选取。

脉冲选取过程示意图如错误!未找到引用源。

所示。

选取的脉冲串，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Vλ/4的持续时间决定，脉冲串重频由Vλ/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Vλ/4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，假设方波信号的重频为20Hz，那么脉冲串重频也为20Hz。

2。