重复率高功率Nd玻璃激光器的热透镜效应的消除_任旭东

光电子#激光

第17卷第9期2006年9月Journal of Optoelectronics#Laser V ol.17N o.9Sep.2006 #研究简报#

重复率高功率Nd玻璃激光器的热透镜效应的消除*

任旭东1**,张永康1,郭大浩2,吴鸿兴2,鲁金忠1,李国杰2

(1.江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013; 2.中国科学技术大学强激光技术研究所,安徽合肥

230026)

摘要:研究了重复率高功率强激光作用下热平衡状态激光的热透镜效应。观察和分析了激光棒从非热

平衡到热平衡状态的热透镜效应,通过采取插入光学补偿系统的方法,使得激光器系统在热平衡状态下

的热透镜效应得以消除,从而得到较好的激光输出和稳定的实验系统。

关键词:重复率;热透镜效应;Nd玻璃激光器

中图分类号:T N248文献标识码:A文章编号:1005-0086(2006)09-1150-03

Elimination of Thermal Lens for Repeat Rate High Power Nd:Glass Laser

REN Xu-dong1**,ZH ANG Yong-kang1,GUO Da-hao2,WU H ong-xing2,

LU Jin-zhong1,LI Guo-jie2

(1.M echanica l Eng ineering School of Jiang su U nversity,Z henjiang212013.China; 2.Institute of High

Po wer Laser T echnolog y,U niversit y of Science&T echno lo gy of China,H efei230026,China)

Abstract:The thermal lens effect of thermal balance laser under high powerfu l and repet-i

tive laser was researched.The thermal lens effects of laser rods from nonthermal balance

to thermal balan ce were observed and an alyzed.We in serted the optical com pensators in

optical paths,and the thermal lens effect was elimin ated in thermal balan ce.So we got a

good laser output.And this work provides a means to stu dy the thermal lens effects of laser

medium and design high powerful and repetitive lasers.

Key words:repeat r ate;therm al lens effect;Nd:glass laser

1引言

Nd玻璃激光器由于具有大能量、高峰值功率,除用于引发核聚变外,还用于材料改性、板料冲击成形等[1~3]。但由于激光介质的热透镜效应,使光束波面发生畸变,激光光束产生退偏,导致光束质量下降,甚至造成激光器系统的损伤。本文主要针对重复率泵浦的Nd玻璃激光器,研究了强激光作用下的光学介质在达到热平衡状态时的热透镜效应及其对激光光束的影响,并采取了改进措施,使得热透镜效应基本得以消除。2热透镜效应

2.1热透镜效应的观察

在Nd:YAG激光器中,圆柱形Nd玻璃棒的外表面由冷却水冷却,而在棒内部只能通过沿径向的热传导向表面散热,所以在横截面内存在很大的温度梯度,热的Nd玻璃心部材料膨胀受到冷的外圈材料牵制,在棒内部产生热应力,导致棒内折射率变化,变化量不仅与横截面内的径向位置有关,而且与方向有关。沿径向与沿切向的折射率变化量不相等,表现为热应力双折射,结果形成棒中心温度高、折射率大,周

*收稿日期:2005-12-02修订日期:2006-03-27

*基金项目:国防航空基金资助项目(02H52053);国家/8630计划资助项目(2002AA336030);国家自然科学基金资助项目(50275068) **E-mail:renxd@u

图1观察热透镜效应的光路图

Fig.1Schematic of light path of thermal lens eff

ect

1:Parallel light;2:Las er rod;

3:Convergen t pencil of rays;

4:Optical compensator;5:Parallel light

图2补偿后光束通过示意图

Fig.2Schematic of light beam

path after optical compensation

围温度低、折射率小,激光束通过这种热不均匀介质与通过透镜相似,所以称为激光器的热透镜效应[4]。

实验在江苏大学强激光实验室的重复率高功率Nd玻璃激光系统上进行。激光器的技术参数见表1。激光输出波长为1.064L m,以58m m@200mm 的磷酸盐Nd玻璃棒作振荡级激光棒,一级磷酸盐Nd玻璃激光预放大级(514m m@350m m),四级磷酸盐Nd玻璃激光主放大级(分为2路,每路由516 mm@350mm及520m m@350mm2根Nd玻璃棒串联)。输出激光的脉冲宽度(F WH M)为22.1ns,激光脉冲能量U35J。用H e-Ne激光束经扩束后充满Nd玻璃棒,输出后照射到6m远的墙上。在Nd 玻璃棒未光泵时,H e-Ne光斑比棒直径略大,设为D1。图1为观察热透镜效应的光路图。

当N d玻璃棒在一定光泵强度和一定冷却速率下以一定的重复率激发光泵时,可以看到,光斑直径一次比一次小,在一定的光泵次数后达到光斑直径平衡,光斑直径稳定在一较小的尺寸,设为D2。

2.2热透镜效应的补偿

上述情况说明,Nd玻璃棒相当于一会聚透镜,平行光束通过它就变为会聚光束。在空间足够时可以找到光束的焦点,测出热透镜的焦距,如516的棒热平衡后焦距为4m。在Nd玻璃棒输出端插入光学补偿器(特制凸透镜,相当于迦里略望远镜),通过Nd 玻璃棒的会聚光,再经过光学补偿器的发散而恢复为平行光束,即在墙上的光斑尺寸D2恢复为Nd玻璃棒未光泵时的光斑尺寸D1。图2为补偿后光束通过示意图。重复率光泵光光斑直径变化情况见表2。

表1激光器技术参数

Tab.1Technological param eters of the laser system

Las er

w avelength/n m Laser en ergy

/J

Laser pu lse w idth

(F W H M)/ns

Ex portin g stability

/%

S ystem ASE

energy/J

Peak value pow er

/@109W

Repetition

rate/H z

1064U35U22[?10[0.1\1.5@100.5

表2重复率激发光泵光斑直径变化示意图

Tab.2changes of the laser spot diameter diversification during repeat rate

Q-OS Nd:YAG PA:Nd:YAG516M A1Nd:YAG520M A2Nd:YAG Original laser s pot D1/m m8141620

Repetition

rate optical pump

laser

spot

/mm

Tw o tim es8141620 Six times6131518 Ten tim es4131315 T w enty times4121211 Forty times411118 Sixty tim es410107 Seventy times(D2)410107

3讨论

固体激光棒的热透镜效应主要是由于重复率光泵使棒内温度的径向分布不均匀而引起的。因此,当一束平行光束经过激光棒时,由于每一光线所经历的光程不同,因而波面会发生变化。假设l为激光棒长

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第9期任旭东等:重复率高功率N d玻璃激光器的热透镜效应的消除