專利名稱：高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器。
背景技術(shù)：
氟化氘/氟化氫激光器是目前連續(xù)波輸出功率最大的高能激光器件，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為進(jìn)一步拓展氟化氘/氟化氫激光器的應(yīng)用范圍，氟化氘/氟化氫激光器的輸出功率水平需要取得進(jìn)一步的提升。使氟化氘/氟化氫激光器功率水平提升有兩種技術(shù)途徑，其一是沿用以往的單諧振腔方案，僅增加增益模塊的數(shù)量，但這種方式使得腔鏡上的功率負(fù)載太大，激光運(yùn)行中腔鏡發(fā)生熱損傷的風(fēng)險(xiǎn)很大，因此使用單諧振腔方案僅能在一定的功率水平之下才有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；另一方法就是使用主振蕩-功率放大(MOPA)技術(shù)方案，以一個(gè)具有高輸出光束質(zhì)量、較低功率水平的氟化氘/氟化氫激光器作為種子源，采用多個(gè)放大級(jí)來(lái)進(jìn)行功率放大，如圖1所示。這種方法可保持一定的輸出光束質(zhì)量，同時(shí)腔鏡上的功率負(fù)載較低，鏡面熱損傷的風(fēng)險(xiǎn)較低，因此MOPA方案是高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫激光器的優(yōu)選方案。然而，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的使用MOPA方案的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫激光器存在以下三個(gè)問題，導(dǎo)致激光器輸出光束質(zhì)量較低。其一是由于氟化氘/氟化氫激光器的增益介質(zhì)沿流場(chǎng)方向的分布是非均勻的，因此輸出光強(qiáng)分布不均勻。在高輸出功率水平下，非均勻的光強(qiáng)分布將使鏡面產(chǎn)生較大的高階像差，這些高階像差不能被自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)得到有效補(bǔ)償，導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量下降。二是由于輸出光強(qiáng)分布存在上游強(qiáng)、下游弱的特點(diǎn)，高功率密度的非均勻光斑輻照在鏡面上將產(chǎn)生較大的傾斜像差，使激光束傳輸方向偏離設(shè)計(jì)值，由于放大級(jí)長(zhǎng)度較長(zhǎng)， 微弱的傾斜量將導(dǎo)致光束經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，部分光束輻照在下一面反射鏡的鏡架上，引起的鏡架熱變形也會(huì)使鏡片進(jìn)一步產(chǎn)生大角度的失調(diào)。三是放大級(jí)長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)米左右，且主振蕩級(jí)輸出的光束為中空光束，因此放大的自發(fā)輻射(ASE)效應(yīng)顯著，經(jīng)過多個(gè)放大級(jí)后，光束中產(chǎn)生了較強(qiáng)的雜光，這些強(qiáng)烈的雜光將造成激光器熱管理的困難，雜光對(duì)鏡架具有加熱效應(yīng)，引起的鏡架熱變形也會(huì)使鏡片產(chǎn)生大角度的失調(diào)，使光束傳輸方向嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，甚至超過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正范圍， 最終造成輸出光束質(zhì)量的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠校正光束傳輸方向偏轉(zhuǎn)、具有光強(qiáng)均勻化能力和雜光抑制能力的、高輸出光束質(zhì)量的高功率連續(xù)波氟化氘/ 氟化氫化學(xué)激光器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，所述激光器包括主振蕩器和位于主振蕩器后的2N+1個(gè)放大級(jí)，N為非負(fù)整數(shù)；所述主振蕩器主要由非穩(wěn)腔鏡和增益模塊構(gòu)成，所述放大級(jí)的第1級(jí)與所述主振蕩器間的光路上和/或任意相鄰的兩個(gè)放大級(jí)之間的光路上至少設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置。上述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器中，設(shè)于任意相鄰的兩個(gè)放大級(jí)之間的光束翻轉(zhuǎn)裝置優(yōu)選包括轉(zhuǎn)向平面反射鏡、輸入平面反射鏡和輸出平面反射鏡，所述轉(zhuǎn)向平面反射鏡、輸入平面反射鏡和輸出平面反射鏡依次布設(shè)在前一放大級(jí)輸出光束的光路上，經(jīng)過輸出平面反射鏡輸出后進(jìn)入相鄰的后一放大級(jí)。設(shè)于所述放大級(jí)的第1級(jí)與所述主振蕩器間的光路上的光束翻轉(zhuǎn)裝置(即位于最前方的光束翻轉(zhuǎn)裝置)優(yōu)選包括輸入平面反射鏡和輸出平面反射鏡，所述輸入平面反射鏡和輸出平面反射鏡依次布設(shè)在所述主振蕩器輸出光束的光路上；此時(shí)所述的轉(zhuǎn)向平面反射鏡直接由所述非穩(wěn)腔鏡中的相應(yīng)輸出耦合^1充當(dāng)。上述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器中，所述輸入平面反射鏡的中心優(yōu)選開設(shè)有雜光導(dǎo)出孔闌。上述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器中，所述轉(zhuǎn)向平面反射鏡的前方對(duì)應(yīng)優(yōu)選裝設(shè)有紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置，所述輸出平面反射鏡安裝在可接收紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置所發(fā)出的調(diào)節(jié)信號(hào)的調(diào)節(jié)鏡架上。所述紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向平面反射鏡上光斑的偏移位置，并根據(jù)光斑偏移位置計(jì)算出光束偏轉(zhuǎn)角度，并將角度調(diào)節(jié)信號(hào)傳遞給 (電控的)調(diào)節(jié)鏡架以校正光束傳輸方向的偏轉(zhuǎn)。上述的各高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器中，所述非穩(wěn)腔鏡優(yōu)選包括凹面反射鏡、輸出耦合鏡和凸面反射鏡，所述增益模塊置于所述凹面反射鏡和凸面反射鏡之間，所述輸出耦合鏡置于所述增益模塊和凸面反射鏡之間并靠近凸面反射鏡；所述增益模塊的增益區(qū)中心與所述非穩(wěn)腔鏡的光軸重合。上述的各高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器中，作為進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，所述任意相鄰的兩個(gè)放大級(jí)之間至少設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置優(yōu)選是指在所述放大級(jí)的第2M級(jí)與所述放大級(jí)的第2M+1級(jí)之間的光路上至少設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置，其中M = 1、 2、3、......、N。上述的各高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器中，所述各放大級(jí)中均包括有增益模塊，所述各增益模塊的流場(chǎng)方向均相同；所述放大級(jí)的第1級(jí)與所述主振蕩器間的光路上、所述放大級(jí)的第2M級(jí)與所述放大級(jí)的第2M+1級(jí)之間的光路上均設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置(即共設(shè)有N+1個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置)；其中，部分的放大級(jí)沿流場(chǎng)方向相對(duì)所述非穩(wěn)腔鏡光軸偏移適當(dāng)距離，以便光路前方緊鄰的光束翻轉(zhuǎn)裝置輸出的光束能夠平行于光軸入射到偏移后的放大級(jí)中。所述各放大級(jí)還可沿垂直于流場(chǎng)方向平移適當(dāng)距離，以便在相應(yīng)的放大級(jí)之間放置所述的光束翻轉(zhuǎn)裝置。上述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器中，所述主振蕩器輸出的光束優(yōu)選為中空光束，所述中空光束的兩條邊緣光線分別通過所述增益模塊的流場(chǎng)上游與流場(chǎng)下游；兩條邊緣光線經(jīng)過所述輸出耦合鏡反射輸出后，再通過所述光束翻轉(zhuǎn)裝置的調(diào)整，使兩條邊緣光線分別交替通過所述放大級(jí)的流場(chǎng)下游和流場(chǎng)上游。上述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器中，所述轉(zhuǎn)向平面反射鏡與所述非穩(wěn)腔鏡光軸方向優(yōu)選呈45°角放置；所述輸入平面反射鏡與所述非穩(wěn)腔鏡光軸方向優(yōu)選呈α角放置，α為銳角，且過所述輸入平面反射鏡中心與所述轉(zhuǎn)向平面反射鏡中心所成的直線垂直于所述非穩(wěn)腔鏡光軸方向；所述輸出平面反射鏡與所述非穩(wěn)腔鏡光軸方向優(yōu)選呈β角放置(β =45° +α)。各個(gè)反射鏡間的距離可調(diào)，以便使經(jīng)過光束翻轉(zhuǎn)裝置的輸出光束的傳輸方向與前述光軸方向保持一致。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于(1)通過采用光束翻轉(zhuǎn)裝置，使主振蕩級(jí)或前一級(jí)放大輸出的光強(qiáng)較強(qiáng)部分通過后一放大級(jí)增益系數(shù)較弱的位置，而光強(qiáng)較弱部分通過后一放大級(jí)光強(qiáng)較強(qiáng)部分，從而改善了輸出光強(qiáng)分布的均勻性，抑制了腔鏡熱變形的高階成份，從而提高了輸出光束的質(zhì)量。(2)通過設(shè)置雜光導(dǎo)出孔闌，可以有效降低放大的自發(fā)輻射(ASE)效應(yīng)以及衍射造成的鏡面中心位置處的雜光，從而可以進(jìn)一步提高輸出光束的質(zhì)量。(3)通過紅外光斑監(jiān)控裝置監(jiān)測(cè)鏡面上的光斑位置，以驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架進(jìn)行傾斜調(diào)節(jié)，可以控制高能激光束傳輸方向的偏離，避免鏡架受激光輻照引起鏡面大角度的失調(diào)。


圖1為現(xiàn)有的MOPA方案高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫激光器的原理圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中激光器小信號(hào)增益系數(shù)沿流場(chǎng)方向分布圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中激光器在光束翻轉(zhuǎn)前后的小信號(hào)增益分布及其疊加圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中MOPA方案激光器的原理圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置給出校正信號(hào)的原理圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中MOPA方案激光器的原理圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中MOPA方案激光器輸出光強(qiáng)分布圖。圖8為現(xiàn)有的MOPA方案激光器的輸出光強(qiáng)分布圖。圖例說明1、增益模塊；2、凹面反射鏡；3、輸出耦合鏡；4、凸面反射鏡；5、轉(zhuǎn)向平面反射鏡； 6、輸出平面反射鏡；7、輸入平面反射鏡；8、電控調(diào)節(jié)鏡架；9、紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置；10、雜光導(dǎo)出孔闌；11、第二邊緣光線；12、光軸；13、第一邊緣光線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1 一種如圖4所示的本發(fā)明的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，包括主振蕩器和位于主振蕩器后的2Ν+1個(gè)放大級(jí)(N非負(fù)整數(shù))，主振蕩器主要由非穩(wěn)腔鏡(帶有輸出耦合鏡的正支共焦非穩(wěn)腔)和增益模塊1構(gòu)成。增益模塊1是產(chǎn)生激發(fā)態(tài)氟化氘/氟化氫分子并使之加速至超音速流動(dòng)的裝置，氣體流動(dòng)方向與非穩(wěn)腔的光軸12垂直，由于氣體的流動(dòng)特性導(dǎo)致增益介質(zhì)沿流場(chǎng)方向分布是非均勻的，其小信號(hào)增益系數(shù)沿流場(chǎng)方向的分布如圖2所示。非穩(wěn)腔鏡包括凹面反射鏡2、輸出耦合鏡3和凸面反射鏡4，增益模塊1置于凹面反射鏡2和凸面反射鏡4之間，輸出耦合鏡3置于增益模塊1和凸面反射鏡4之間并靠近凸面反射鏡4，輸出耦合鏡3為中心開設(shè)有橢圓形孔(或矩形孔)的平面反射鏡，輸出耦合鏡3的中心與非穩(wěn)腔的光軸12重合；增益模塊1的增益區(qū)中心與非穩(wěn)腔鏡的光軸12 重合。主振蕩器輸出的光束為中空光束，該中空光束包括兩個(gè)邊緣光線，分別為第一邊緣光線13和第二邊緣光線11，第一邊緣光線13和第二邊緣光線11分別通過增益模塊1的流場(chǎng)上游和流場(chǎng)下游(流場(chǎng)方向參見圖4中的箭頭)，然后經(jīng)過輸出耦合鏡3反射輸出。本實(shí)施例的放大級(jí)的第2M級(jí)與第2M+1級(jí)之間的光路上均設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置 (其中M= 1、2、3、……、N)。具體而言，放大級(jí)第一級(jí)輸出的光束直接進(jìn)入放大級(jí)第二級(jí)， 在第二級(jí)和第三級(jí)之間放置光束翻轉(zhuǎn)裝置。重復(fù)上述步驟，在第偶數(shù)個(gè)放大級(jí)和緊接其后的第奇數(shù)個(gè)放大級(jí)之間放置光束翻轉(zhuǎn)裝置，而在第奇數(shù)個(gè)放大級(jí)和緊接其后的第偶數(shù)個(gè)放大級(jí)之間不放置光束翻轉(zhuǎn)裝置，最終使主振蕩器出射的光束通過2N+1個(gè)放大級(jí)。設(shè)于相鄰兩放大級(jí)之間的光束翻轉(zhuǎn)裝置包括轉(zhuǎn)向平面反射鏡5、輸入平面反射鏡7和輸出平面反射鏡6，轉(zhuǎn)向平面反射鏡5、輸入平面反射鏡7和輸出平面反射鏡6依次布設(shè)在前一放大級(jí)(即第2M級(jí))輸出光束的光路上。另外，本實(shí)施例的放大級(jí)的第一級(jí)與主振蕩器之間的光路上也設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置，該光束翻轉(zhuǎn)裝置包括輸入平面反射鏡7和輸出平面反射鏡6，而主振蕩器中的輸出耦合鏡3則直接充當(dāng)轉(zhuǎn)向平面反射鏡5，此時(shí)輸出耦合鏡3、輸入平面反射鏡7和輸出平面反射鏡6依次布設(shè)在主振蕩器輸出光束的光路上。本實(shí)施例中，光束翻轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)向平面反射鏡5與光軸12方向呈45°角放置，輸入平面反射鏡7與光軸12方向呈α °角放置(α為銳角)，且輸入平面反射鏡7的中心與轉(zhuǎn)向平面反射鏡5的中心相連所成的直線垂直于光軸12方向，輸出平面反射鏡6與光軸12 方向呈β = α+45°角放置；各個(gè)鏡面間的距離可調(diào)，使經(jīng)光束翻轉(zhuǎn)裝置出射的光束傳輸方向與光軸12方向相同。由主振蕩器出射的光束其橫截面為圓形或矩形的中空光斑，經(jīng)過放大級(jí)傳輸后， 由于衍射效應(yīng)和ASE效應(yīng)，光斑中心將會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的雜光，這些雜光將對(duì)光束質(zhì)量和熱管理產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，本實(shí)施例的光束翻轉(zhuǎn)裝置中引入了雜光導(dǎo)出孔闌10，即在輸入平面反射鏡7的中心開設(shè)有雜光導(dǎo)出孔闌10。該雜光導(dǎo)出孔闌10是在輸入平面反射鏡7上加工出的合適形狀的小孔，小孔的形狀在垂直于光束傳輸方向的面上投影與輸出耦合鏡3在垂直于光軸12方向的面上投影相同并略小。這樣可以有效抑制ASE效應(yīng)，從而可提高激光器的輸出光束質(zhì)量。本實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)向平面反射鏡5的前方對(duì)應(yīng)裝設(shè)有紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9，紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9由紅外熱像儀及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu)成，紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9的熱像儀光學(xué)鏡頭光軸方向垂直于光束翻轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)向平面反射鏡5。輸出平面反射鏡6安裝在二維傾斜的電控調(diào)節(jié)鏡架8上可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鏡片的傾斜方向。當(dāng)紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9探測(cè)到轉(zhuǎn)向平面反射鏡5上的光斑位置偏離設(shè)計(jì)范圍時(shí)，其將給出一個(gè)校正信號(hào)驅(qū)動(dòng)電控調(diào)節(jié)鏡架8， 電控調(diào)節(jié)鏡架8可以根據(jù)紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9給出的校正信號(hào)進(jìn)行俯仰角和左右角的傾斜調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)向平面反射鏡5上的光斑回到設(shè)計(jì)位置，通過這種方法可以實(shí)時(shí)校正激光束傳輸方向的偏離，避免高能激光束照射在鏡框上引起的鏡框受熱和大角度的鏡面失調(diào)。放大級(jí)第一級(jí)前的光束翻轉(zhuǎn)裝置中無(wú)需使用紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9。本實(shí)施例中，紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9給出校正信號(hào)的原理如圖5所示。將經(jīng)轉(zhuǎn)向平面反射鏡5反射后的光束中心定為原點(diǎn)，以光束傳輸方向?yàn)棣戚S，垂直于紙面向內(nèi)為χ軸方向?yàn)榻⒅苯亲鴺?biāo)系。當(dāng)高能激光束照射在轉(zhuǎn)向平面反射鏡5時(shí)，由于鏡面存在微弱的散射效應(yīng)，紅外熱像儀可探測(cè)到鏡面上的光斑分布；通過數(shù)據(jù)采集與處理裝置可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際光斑與設(shè)計(jì)的理想光斑位置相比在x、y方向分別偏移了 ΔΧ和Ay(進(jìn)行這些偏移量計(jì)算的軟件均為商業(yè)化成熟軟件)。設(shè)沿光軸方向從轉(zhuǎn)向平面反射鏡5中心到上一級(jí)光束翻轉(zhuǎn)裝置輸出平面反射鏡6中心之間的距離為L(zhǎng)，則由上一級(jí)的輸出平面反射鏡6到本級(jí)光束翻轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)向平面反射鏡5傳輸時(shí)，激光束的俯仰角和左右角的偏離角分別為
= Αβ = γ-。紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9獲取這一偏離角信號(hào)后給上一級(jí)的電控調(diào)節(jié)鏡
架8對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使上一級(jí)光束翻轉(zhuǎn)裝置的輸出平面反射鏡6進(jìn)行相應(yīng)的傾斜角調(diào)節(jié)， 使本級(jí)光束翻轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)向平面反射鏡5上的光斑回到設(shè)計(jì)位置。本實(shí)施例的上述光束翻轉(zhuǎn)裝置可以使光束的橫截面產(chǎn)生左右翻轉(zhuǎn)，并具有光束平移、光束偏轉(zhuǎn)和雜光抑制等功能。本實(shí)施例的2Ν+1個(gè)放大級(jí)分別由2Ν+1個(gè)增益模塊1構(gòu)成，構(gòu)成放大級(jí)的各增益模塊1與主振蕩器使用的增益模塊1相同，所有的增益模塊1的流場(chǎng)方向相同，且各增益模塊1沿光軸12方向的長(zhǎng)度均相同。各放大級(jí)可沿流場(chǎng)方向或垂直于流場(chǎng)方向平移適當(dāng)距離以便在增益模塊1之間安放光束翻轉(zhuǎn)裝置。在本實(shí)施例中，每相鄰兩個(gè)放大級(jí)組成一組(例如第一級(jí)與第二級(jí)組成一組、第三級(jí)與第四級(jí)組成一組、……)，每一組放大級(jí)沿流場(chǎng)方向相對(duì)非穩(wěn)腔鏡的光軸12偏移適當(dāng)距離，以便該組放大級(jí)前方緊鄰的光束翻轉(zhuǎn)裝置輸出的光束能夠平行于光軸12入射到偏移后的該組放大級(jí)中；在光路方向上越靠后的放大級(jí)組偏移的距離越大，因而形成類似的階梯狀分布；各放大級(jí)還可沿垂直于流場(chǎng)方向平移適當(dāng)距離，以便在相應(yīng)的放大級(jí)之間(例如第二級(jí)與第三級(jí)之間、第四級(jí)與第五級(jí)之間、……) 放置光束翻轉(zhuǎn)裝置。上述本實(shí)施例的具有高輸出光束質(zhì)量的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其工作原理如下由于主振蕩器輸出的光強(qiáng)沿流場(chǎng)方向是非均勻的，并且這種非均勻性是與小信號(hào)增益系數(shù)分布相對(duì)應(yīng)的，增益系數(shù)大的位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)較強(qiáng)(即第一邊緣光線 13)，增益系數(shù)較小的位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)較弱(即第二邊緣光線11)；主振蕩器輸出的光束經(jīng)光束翻轉(zhuǎn)裝置后，光束橫截面發(fā)生上下翻轉(zhuǎn)，流場(chǎng)上游位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)(即第一邊緣光線 13)與流場(chǎng)下游位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)(即第二邊緣光線11)交換位置后，進(jìn)入放大級(jí)的第一級(jí)； 由于放大級(jí)中流場(chǎng)的方向與主振蕩器流場(chǎng)的方向相同，這使得第一級(jí)中增益較強(qiáng)的位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)較弱(即第二邊緣光線11)，而增益較弱的位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)較強(qiáng)(即第一邊緣光線13)，因此經(jīng)過這一級(jí)放大后光強(qiáng)的非均勻性得到了改善，腔鏡的熱變形中高階成份得到抑制，輸出光束質(zhì)量提高；從放大級(jí)的第一級(jí)輸出的光束直接進(jìn)入放大級(jí)的第二級(jí)，此時(shí)光束未經(jīng)過翻轉(zhuǎn)，光強(qiáng)分布與第一級(jí)相同，經(jīng)過第二級(jí)的放大，光強(qiáng)沿流場(chǎng)方向的分布又表現(xiàn)出非均勻性，因此在放大級(jí)的第二級(jí)與第三級(jí)之間再次設(shè)置光束翻轉(zhuǎn)裝置，這樣第二級(jí)輸出的光束再經(jīng)過放大級(jí)中的光束翻轉(zhuǎn)裝置的翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入放大級(jí)的第三級(jí)，經(jīng)過第三級(jí)放大后光強(qiáng)的非均勻性再一次得到改善，出射光強(qiáng)又變均勻，輸出光束的質(zhì)量再次提高。以此類推，共循環(huán)N個(gè)周期后，最后光束從放大級(jí)的第2Ν+1級(jí)輸出，從第2Ν+1個(gè)放大級(jí)出射后的光束具有均勻的光強(qiáng)分布，從而可以使高能氟化氘/氟化氫激光器后續(xù)的內(nèi)通道中眾多激光中繼鏡面上所受的激光輻照較為均勻，可抑制內(nèi)通道中眾多激光中繼鏡面產(chǎn)生的難以校正的高階像差，從而可使輸出的激光具有很高的光束質(zhì)量。我們也可以從另一角度來(lái)理解光束翻轉(zhuǎn)可使輸出光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)均勻化的原理。光束翻轉(zhuǎn)也可等同于放大級(jí)第一級(jí)中的增益模塊1沿流場(chǎng)方向的小信號(hào)增益系數(shù)分布發(fā)生翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)后的小信號(hào)增益系數(shù)分布與未翻轉(zhuǎn)的主振蕩器增益模塊1的小信號(hào)增益分布疊加后除以2，得到綜合小信號(hào)增益分布，如圖3所示。綜合小信號(hào)增益分布的均勻性較翻轉(zhuǎn)前小信號(hào)增益分布有明顯的改善，因此輸出光強(qiáng)的均勻性可以得到相應(yīng)改善。實(shí)施例2 一種如圖6所示的用于具有3個(gè)放大級(jí)的本發(fā)明高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器。該激光器包括主振蕩器和位于主振蕩器后的三個(gè)放大級(jí)(即N = 1)，主振蕩器主要由非穩(wěn)腔鏡(帶有輸出耦合鏡的正支共焦非穩(wěn)腔)和增益模塊1構(gòu)成。增益模塊1是產(chǎn)生激發(fā)態(tài)氟化氘/氟化氫分子并使之加速至超音速流動(dòng)的裝置，氣體流動(dòng)方向與非穩(wěn)腔的光軸12垂直，由于氣體的流動(dòng)特性導(dǎo)致增益介質(zhì)沿流場(chǎng)方向分布是非均勻的。非穩(wěn)腔鏡包括凹面反射鏡2、輸出耦合鏡3和凸面反射鏡4，增益模塊1置于凹面反射鏡2和凸面反射鏡4之間，輸出耦合鏡3置于增益模塊1和凸面反射鏡4之間并靠近凸面反射鏡4，輸出耦合鏡3為中心開設(shè)有矩形孔的平面反射鏡，該矩形孔在垂直于光軸12平面上的投影尺寸為15mmX45mm，輸出耦合鏡3的中心與非穩(wěn)腔的光軸12重合；增益模塊1的增益區(qū)中心與非穩(wěn)腔鏡的光軸12重合。主振蕩器輸出的光束為中空光束，該中空光束橫截面為中空矩形光斑，其外尺寸為45mmX 135mm，內(nèi)孔尺寸為15mmX45mm。該中空光束包括兩個(gè)邊緣光線， 分別為第一邊緣光線13和第二邊緣光線11，第一邊緣光線13和第二邊緣光線11分別通過增益模塊1的流場(chǎng)上游和流場(chǎng)下游(流場(chǎng)方向參見圖6中的箭頭)，然后經(jīng)過輸出耦合鏡3 反射輸出。本實(shí)施例的激光器包括有兩個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置，具體而言，在放大級(jí)的第一級(jí)與主振蕩器之間的光路上設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置，另外在放大級(jí)的第二級(jí)和第三級(jí)之間也放置有一光束翻轉(zhuǎn)裝置。設(shè)于相鄰兩放大級(jí)之間的后一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置包括轉(zhuǎn)向平面反射鏡5、 輸入平面反射鏡7和輸出平面反射鏡6，轉(zhuǎn)向平面反射鏡5、輸入平面反射鏡7和輸出平面反射鏡6依次布設(shè)在第二級(jí)輸出光束的光路上。而設(shè)于主振蕩器后的第一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置包括輸入平面反射鏡7和輸出平面反射鏡6，主振蕩器中的輸出耦合鏡3則直接充當(dāng)轉(zhuǎn)向平面反射鏡5，輸出耦合鏡3與光軸12方向呈45°角放置，輸入平面反射鏡7與光軸12方向呈15°角放置，輸入平面反射鏡7的中心與輸出耦合鏡3的中心相距450mm，且兩者中心的連線Ql垂直于光軸12方向，輸出平面反射鏡6的中心與放大級(jí)第一級(jí)中心線重合，并且與直線Ql的距離為86mm。此時(shí)輸出耦合鏡3、輸入平面反射鏡7和輸出平面反射鏡6依次布設(shè)在主振蕩器輸出光束的光路上。本實(shí)施例中，放大級(jí)第一級(jí)輸出的光束直接進(jìn)入放大級(jí)第二級(jí)，光束從第二級(jí)出射后，經(jīng)過光束翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)入第三放大級(jí)。此時(shí)，光束翻轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)向平面反射鏡5的中心與第二級(jí)中心線重合，并與光軸12方向呈45°角放置；輸入平面反射鏡7與光軸12方向呈α = 15°角放置；輸入平面反射鏡7的中心與轉(zhuǎn)向平面反射鏡5的中心相距450mm，且兩者中心相連所成的直線Q2垂直于光軸12方向；輸出平面反射鏡6的中心與放大級(jí)第三級(jí)的中心線重合，且輸出平面反射鏡6與光軸12方向呈β =60°角放置，輸出平面反射鏡 6的中心與直線Q2的距離為86mm ；各個(gè)鏡面間的距離可調(diào)，使經(jīng)光束翻轉(zhuǎn)裝置出射的光束傳輸方向與光軸12方向相同。由主振蕩器出射的光束其橫截面為矩形的中空光斑，經(jīng)過放大級(jí)傳輸后，由于衍射效應(yīng)和ASE效應(yīng)，光斑中心將會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的雜光，這些雜光將對(duì)光束質(zhì)量和熱管理會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，本實(shí)施例的光束翻轉(zhuǎn)裝置中引入了雜光導(dǎo)出孔闌10，即在輸入平面反射鏡7的中心開設(shè)有雜光導(dǎo)出孔闌10 (尺寸為14mmX44mm)。該雜光導(dǎo)出孔闌10是在輸入平面反射鏡7上加工出的合適形狀的小孔，小孔的形狀在垂直于光束傳輸方向的面上投影與輸出耦合鏡3在垂直于光軸12方向的面上投影相同并略小。這樣可以有效抑制ASE效應(yīng)， 從而可提高激光器的輸出光束質(zhì)量。本實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)向平面反射鏡5的前方對(duì)應(yīng)裝設(shè)有紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9，紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9由紅外熱像儀及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu)成，紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9的熱像儀光學(xué)鏡頭光軸方向垂直于光束翻轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)向平面反射鏡5。輸出平面反射鏡6安裝在二維傾斜的電控調(diào)節(jié)鏡架8上(與光軸方向呈60°角放置)可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鏡片的傾斜方向。當(dāng)紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9探測(cè)到轉(zhuǎn)向平面反射鏡5上的光斑位置偏離設(shè)計(jì)范圍時(shí)，其將給出一個(gè)校正信號(hào)驅(qū)動(dòng)電控調(diào)節(jié)鏡架8，電控調(diào)節(jié)鏡架8可以根據(jù)紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9給出的校正信號(hào)進(jìn)行俯仰角和左右角的傾斜調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)向平面反射鏡5上的光斑回到設(shè)計(jì)位置，通過這種方法可以實(shí)時(shí)校正激光束傳輸方向的偏離，避免高能激光束照射在鏡框上引起的鏡框受熱和大角度的鏡面失調(diào)(紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9的工作原理與實(shí)施例1相同)。放大級(jí)第一級(jí)前的光束翻轉(zhuǎn)裝置中無(wú)需使用紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置9。本實(shí)施例的上述光束翻轉(zhuǎn)裝置可以使光束的橫截面產(chǎn)生左右翻轉(zhuǎn)，并具有光束平移、光束偏轉(zhuǎn)和雜光抑制等功能。本實(shí)施例的三個(gè)放大級(jí)分別由三個(gè)增益模塊1構(gòu)成，構(gòu)成放大級(jí)的各增益模塊1 與主振蕩器使用的增益模塊1相同，所有的增益模塊1的流場(chǎng)方向均相同，且每個(gè)增益模塊 1沿光軸12方向的長(zhǎng)度均相同。各放大級(jí)可沿流場(chǎng)方向或垂直于流場(chǎng)方向平移適當(dāng)距離以便在增益模塊1之間安放光束翻轉(zhuǎn)裝置。在本實(shí)施例中，放大級(jí)的第一級(jí)與第二級(jí)組成一組，該組放大級(jí)的中心線沿流場(chǎng)方向相對(duì)非穩(wěn)腔鏡的光軸12偏移的距離為300mm，以便第一級(jí)前的光束翻轉(zhuǎn)裝置輸出的光束能夠平行于光軸12入射到偏移后的該組放大級(jí)中； 在光路方向上越靠后的放大級(jí)偏移的距離越大，例如第三級(jí)中心線偏移第二級(jí)中心線的距離同樣為300mm，偏移光軸12則達(dá)到600mm，因而形成類似的階梯狀分布(不是必須呈階梯狀，如果將光束翻轉(zhuǎn)裝置作對(duì)稱放置，那么第三級(jí)也可以重新回歸到與光軸重合的位置)； 各放大級(jí)還可沿垂直于流場(chǎng)方向平移適當(dāng)距離，以便在相應(yīng)的放大級(jí)之間(例如第二級(jí)與第三級(jí)之間)放置光束翻轉(zhuǎn)裝置。上述本實(shí)施例的具有高輸出光束質(zhì)量的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其工作原理如下由于主振蕩器輸出的光強(qiáng)沿流場(chǎng)方向是非均勻的，并且這種非均勻性是與小信號(hào)增益系數(shù)分布相對(duì)應(yīng)的，增益系數(shù)大的位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)較強(qiáng)(即第一邊緣光線 13)，增益系數(shù)較小的位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)較弱(即第二邊緣光線11)；主振蕩器輸出的光束經(jīng)光束翻轉(zhuǎn)裝置后，光束橫截面發(fā)生上下翻轉(zhuǎn)，流場(chǎng)上游位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)(即第一邊緣光線 13)與流場(chǎng)下游位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)(即第二邊緣光線11)交換位置后，進(jìn)入放大級(jí)的第一級(jí)； 由于放大級(jí)中流場(chǎng)的方向與主振蕩器流場(chǎng)的方向相同，這使得第一級(jí)中增益較強(qiáng)的位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)較弱(即第二邊緣光線11)，而增益較弱的位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)較強(qiáng)(即第一邊緣光線 13)，因此經(jīng)過這一級(jí)放大后光強(qiáng)的非均勻性得到了改善，腔鏡的熱變形中高階成份得到抑制，輸出光束質(zhì)量提高；從放大級(jí)的第一級(jí)輸出的光束直接進(jìn)入放大級(jí)的第二級(jí)，此時(shí)光束未經(jīng)過翻轉(zhuǎn)，光強(qiáng)分布與第一級(jí)相同，經(jīng)過第二級(jí)的放大，光強(qiáng)沿流場(chǎng)方向的分布又表現(xiàn)出非均勻性，因此在放大級(jí)的第二級(jí)與第三級(jí)之間再次設(shè)置光束翻轉(zhuǎn)裝置，這樣第二級(jí)輸出的光束再經(jīng)過放大級(jí)中的光束翻轉(zhuǎn)裝置的翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入放大級(jí)的第三級(jí)，經(jīng)過第三級(jí)放大后光強(qiáng)的非均勻性再一次得到改善，出射光強(qiáng)又變均勻，輸出光束的質(zhì)量再次提高。本實(shí)施例中，主振蕩器輸出的光束分別經(jīng)過第一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置、放大級(jí)第一級(jí)、放大級(jí)第二級(jí)、第二個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置、放大級(jí)第三級(jí)后輸出，獲得的輸出光束橫截面上的光強(qiáng)分布如圖7所示，如果直接按照?qǐng)D1所示的現(xiàn)有技術(shù)獲得的光強(qiáng)分布如圖8所示。對(duì)比后可見，使用本發(fā)明的方法可以顯著提高輸出光強(qiáng)的均勻性和有效抑制雜光，從而可以獲得高輸出光束質(zhì)量的激光輸出。
權(quán)利要求
1.一種高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，所述激光器包括主振蕩器和位于主振蕩器后的2N+1個(gè)放大級(jí)，N為非負(fù)整數(shù)，所述主振蕩器主要由非穩(wěn)腔鏡和增益模塊構(gòu)成， 其特征在于所述放大級(jí)的第1級(jí)與所述主振蕩器間的光路上和/或任意相鄰的兩個(gè)放大級(jí)之間的光路上至少設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其特征在于設(shè)于所述放大級(jí)的第1級(jí)與所述主振蕩器間的光路上的光束翻轉(zhuǎn)裝置包括輸入平面反射鏡和輸出平面反射鏡，所述輸入平面反射鏡和輸出平面反射鏡依次布設(shè)在所述主振蕩器輸出光束的光路上；設(shè)于任意相鄰的兩個(gè)放大級(jí)之間的光束翻轉(zhuǎn)裝置包括轉(zhuǎn)向平面反射鏡、輸入平面反射鏡和輸出平面反射鏡，所述轉(zhuǎn)向平面反射鏡、輸入平面反射鏡和輸出平面反射鏡依次布設(shè)在前一放大級(jí)輸出光束的光路上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其特征在于所述輸入平面反射鏡的中心開設(shè)有雜光導(dǎo)出孔闌。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其特征在于所述轉(zhuǎn)向平面反射鏡的前方對(duì)應(yīng)裝設(shè)有紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置，所述輸出平面反射鏡安裝在可接收紅外光斑監(jiān)測(cè)裝置所發(fā)出的調(diào)節(jié)信號(hào)的調(diào)節(jié)鏡架上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其特征在于所述非穩(wěn)腔鏡包括凹面反射鏡、輸出耦合鏡和凸面反射鏡，所述增益模塊置于所述凹面反射鏡和凸面反射鏡之間，所述輸出耦合鏡置于所述增益模塊和凸面反射鏡之間并靠近凸面反射鏡；所述增益模塊的增益區(qū)中心與所述非穩(wěn)腔鏡的光軸重合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其特征在于所述任意相鄰的兩個(gè)放大級(jí)之間至少設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置具體是指在所述放大級(jí)的第2M 級(jí)與所述放大級(jí)的第2M+1級(jí)之間的光路上至少設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置，其中M = 1、2、 3、......、N。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其特征在于所述各放大級(jí)中均包括有增益模塊，所述各增益模塊的流場(chǎng)方向均相同；所述放大級(jí)的第1 級(jí)與所述主振蕩器間的光路上、所述放大級(jí)的第2M級(jí)與所述放大級(jí)的第2M+1級(jí)之間的光路上均設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置；部分的放大級(jí)沿流場(chǎng)方向相對(duì)所述非穩(wěn)腔鏡光軸偏移適當(dāng)距離，以便光路前方緊鄰的光束翻轉(zhuǎn)裝置輸出的光束能夠入射到偏移后的放大級(jí)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其特征在于所述主振蕩器輸出的光束為中空光束，所述中空光束的兩條邊緣光線分別通過所述增益模塊的流場(chǎng)上游與流場(chǎng)下游；兩條邊緣光線經(jīng)過所述輸出耦合鏡反射輸出后，再通過所述光束翻轉(zhuǎn)裝置的調(diào)整，使兩條邊緣光線分別交替通過所述放大級(jí)的流場(chǎng)下游和流場(chǎng)上游。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，其特征在于所述轉(zhuǎn)向平面反射鏡與所述非穩(wěn)腔鏡光軸方向呈45°角放置；所述輸入平面反射鏡與所述非穩(wěn)腔鏡光軸方向呈α角放置，α為銳角，且過所述輸入平面反射鏡中心與所述轉(zhuǎn)向平面反射鏡中心所的直線垂直于所述非穩(wěn)腔鏡光軸方向；所述輸出平面反射鏡與所述非穩(wěn)腔鏡光軸方向呈45° +α角放置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率連續(xù)波氟化氘/氟化氫化學(xué)激光器，該激光器包括主振蕩器和位于主振蕩器后的2N+1個(gè)放大級(jí)，N為非負(fù)整數(shù)，主振蕩器主要由非穩(wěn)腔鏡和增益模塊構(gòu)成，放大級(jí)的第1級(jí)與主振蕩器間的光路上和/或任意相鄰的兩個(gè)放大級(jí)之間的光路上至少設(shè)有一個(gè)光束翻轉(zhuǎn)裝置。本發(fā)明的化學(xué)激光器能夠校正光束傳輸方向偏轉(zhuǎn)，具有光強(qiáng)均勻化能力和雜光抑制能力，能夠輸出高質(zhì)量的激光光束。
文檔編號(hào)H01S3/223GK102545031SQ201210013060
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者劉文廣, 劉澤金, 華衛(wèi)紅, 袁圣付, 許曉軍, 陳金寶 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)