高功率固体激光器及其关键技术研究-毕业论.doc

高功率固体激光器及其 关键技术研究 院 系：信息科学与技术系 专 业 班：光信息科学与技术 0802 班 姓 名：邹雅琴 学 号：20081182054 指导教师：李宏棋 2012 年 5 月 高功率固体激光器及其 关键技术研究 Research on high power solid state laser and its key technology I 摘 要 高功率固体激光器具有高效、高稳定性、高光束质量、体积小、寿命长等一系 列优点，是军事、工业、医学和科研等领域的新一代理想光源。高功率固体激光器 技术不仅在先进制造等工业加工上有重要的应用，同时也是对武器装备性能影响巨 大的关键技术之一。 本文首先介绍了高功率固体激光器的现状，依次介绍了圆棒激光器、薄片激光 器、板条激光器和光纤激光器的性能特点与优势。阐述了发展高功率固体激光器技 术的必要性及重要性，然后介绍了两种高功率固体激光器技术：热容激光技术和激 光相干合成技术。由于激光束的相干合成技术在要求高功率、高亮度激光束的场合 下有广泛的应用，和其他合成技术相比，这种技术具有简单性、稳定性和可扩容性， 所以文中对这种技术做了详细介绍。固体激光器的发展方向大体为：大功率器件 将向高功率、高光束质量发展，而战略性应用的高能 固体激光器将得到特别加 强从而开发出更多新技术 。 关键字：高功率固体激光器 激光器技术 相干合成 II Abstract high power solid state lasers with high performance, high stability, high beam quality, small size, long life and other advantages, military, industrial, medical and scientific research and other next-generation ideal light sources in the field. High power all-solid-state laser technology in advanced manufacturing and other industrial processes not only has important applications, but also the weapon one key technology for great performance. This article first describes the status of high power solid state lasers, and introduced Rod lasers, lasers, slice slab laser and Fiber Laser performance features and benefits. Explain the need for the development of high power solid state laser technology and the importance, and then introduces two high power solid state laser technology: heat capacity laser technology and laser coherent synthesis technology. Because laser beams coherent combination of technologies that require high power, high brightness laser beam under a wide range of applications, compared with other synthesis technologies, thistechnology with simplicity, stability and expansion, this technology has been introduced. Development of solid state laser direction: to high power, high beam quality of high- power device development, and strategic application of high power solid state lasers will be strengthened so as to develop more new technologies. The subject emphasis is placed on the design of high power solid state laser status, as well as research on key technologies of. Work is mainly through the information and their detailed understanding of the different types of research on high power solid state lasers and related technologies. Key words：high power solid state laser laser technology coherent combination III 目 录 摘要I Abstract II 绪论1 1 高功率固体激光器的现状 2 1.1 圆棒激光器 2 1.2 板条激光器 4 1.3 薄片激光器 6 1.4 光纤激光器8 2 高功率固体激光器技术研究10 2.1 热容激光技术10 2.2 激光相干合成技术11 3 高功率固体激光器的应用13 结论14 致谢15 参考文献16 1 绪 论 高功率固体激光器具有的独特优势以及其广阔的应用前景。从诞生的第一台激 光器以来，激光技术的发展如雨后春笋般，逐步渗透到科研、医疗、工业和国防等 众多领域并产生巨大影响。以激光高技术为核心的相关产业已成为21世纪的的主流， 并带动了整个高新技术产业链的发展。激光技术的应用在国民经济建设、国防安全 和科研领域发挥着不可替代的关键作用，是一项具有战略性，全局性和带动性的战 略高技术。 高功率固体激光器具有体积小、重量轻、效率高、光束质量好、可靠性高、 寿命长、运转灵便等一系列优点，已成为激光发展中最具有前景的代表。且它可 通过变频获得宽波段输出、便于模块化和电激励等应用优势，已经广泛应用于科 研、医疗、工业加工、军事等领域，成为新一代性能卓越的绿色、节能光源。近 年来，随着半导体激光技术的日臻完善和半导体激光器件性能的大幅增长，高功 率固体激光器获得了飞速发展，特别在输出功率和光束质量方面，美国已报道实 现了光束质量小于2倍衍射极限的万瓦激光输出，并计划进一步提高其功率至 105W，用于机载战术激光武器。针对传统激光器实现高功率、高光束质量激光面 临的最大障碍之一的热管理技术，还衍生出多种新型结构的激光器而且均取得了 显著进展，使得目前全固态激光器领域呈现百花齐放的景象。 本文综述了近年来高平均功率固体激光器的发展现状，介绍了目前获得高平均 功率固体激光的主要方式及最新进展，分析评述了高平均功率固体激光器的发展趋 势，展望了其在工业和军事领域的应用前景。近年来，随着半导体激光技术的日臻 完善和半导体激光器件性能的大幅增长。高功率固体激光器获得了飞速发展，特别 在输出功率和光束质量方面。高功率固体激光器是应用于现代工业加工的新一代激 光光源。与传统的气体激光器相比，具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点。 高功率固体激光器及其工业装备已经进入产业化的高速发展期，带动了激光乃至整 个光电子行业高速发展。在不远的将来，以激光技术为核心的激光加工技术很可能 取代传统工业加工的地位，并推动人类科学技术革命和进步。 2 1 高功率固体激光器的现状 1.1 圆棒激光器 圆棒激光器是目前发展最成熟、应用最广泛的固体激光器构造。其中圆棒增益 介质主要有Nd：YAG和Yb：YAG，按抽运方式不同可分为端面抽运和侧面抽运两种方 式。端面抽运是指抽运光从晶体棒的端面入射，激光沿晶体棒长度方向振荡的抽运 方式。采用这种抽运方式能使抽运光和振荡光较好地模式匹配，有利于获得高效率 近衍射极限激光输出。因此，采用端面抽运结构的高功率全固态激光器转换效率比 较高，能获得较好的光束质量输出。然而，端面抽运方式受到谐振腔基模体积的约 束，即要实现抽运光和基模空间较好的匹配，需要抽运光入射在激光介质的端面面 积较小，这样不仅限制了注入抽运光功率，同时还在激光介质内产生较大的局部温 度梯度和复杂的热光效应，影响了光束质量。由于温度的变化导致晶体棒内的热应 力必须小于晶体自身碎裂应力，以及端面镀制的抽运光和振荡光的双色膜的抗激光 损伤阈值一般较低等因素，限制了注入的抽运光功率，因此很难获得千瓦级高平均 功率输出，目前获得的高功率端面抽运的全固态激光器输出功率多在百瓦级【1】。 尽管高功率固体激光器大多采用侧面抽运，但是端面抽运带来的高光束质量及 高效率等优势，一直是科学家们不断追求的目标，为了获得高功率输出，科学家们 提出了许多极富创造力的新思想和新方案2。侧面抽运又称为横向抽运，是指将LD 阵列发出的抽运光从晶体棒的侧面注入到晶体棒中，激光沿晶体棒长度方向振荡的 抽运方式。侧面抽运方式结构简单、性能稳定、成本低，采用单个激光模块就能很 容易输出百瓦级甚至千瓦。然而，在侧面抽运结构中，晶体棒中的增益分布很难与 谐振腔本征基模很好地匹配，而且由于晶体棒中心的温度比表面高得多，导致较严 重的热透镜效应和热退偏，降低了输出激光的光束质量。而且，抽运光要经过隔离 冷却液的管道和冷却液才能到到达晶体棒，其中冷却管道的内外表面和晶体棒表面 的对抽运光的反射，冷却液对抽运光的吸收都会影响抽运效率，因此侧面抽运的光 光转换效率普遍比端面抽运要低，一般为40左右。不过由于侧面抽运很容易将高 功率泵光注入到晶体棒中，因此较容易获得高功率输出，而且通过改进设计，也能 3 获得百瓦以上的近衍射极限的基模输出。 圆棒激光器工作时，主要有3个因素限制了激光器的T模输出功率：热应力引 起双折射，使圆棒成为一个非单一焦距的透镜。在通常腔长下，最大模半径约为 11mm，与棒的尺寸无关，因而限制了最大的模输出功率；非均匀抽运在棒内引 起光学畸变，随着抽运功率增加，这种热畸变造成的衍射损耗比增益增加更快； 棒的破裂应力限制了它所能承受的抽运强度，最终限制了输出激光功率。因此，要 获得高平均功率、高效率、高光束质量的激光输出，首要条件是要保证抽运的均匀 性，同时还要保持高抽运效率。这涉及到抽运结构、强度、工作介质的掺杂浓度以 及浓度分布等；其次是设法消除或补偿热致双折射，但迄今还没有找到完全补偿的 方法。用非球面透镜可以部分补偿热畸变，特别是针对某一固定的抽运功率；由于 光效正比于腔内增益与损耗之比，因此采用高增益、低畸变的工作方式将有利于提 高输出平均功率。 图1-1 圆棒激光器的抽运结构剖面图 4 1.2 板条激光器 板条激光器是 激光工作物质为板条形状的固体激光器。普通固体激光器激光 工作物质的几何形状为圆棒状，温度梯度的方向与光传播方向垂直，在热负荷条 件下运转时，将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应， 严重影响了激光器的 输出功率和光束质量 【3】。在板条激光器中，温度梯度发生在板条厚度方向上 ， 板条宽度方向上的两侧面被热绝缘，而光在厚度方向的 抽运面上发生内全反射， 呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播，光传播方向近似与温度梯度方向平行，利 用激光介质的的对称性和锯齿形光路消除热效 应，从而减小激光束的热透镜效 应和光学畸变效应，一次得以输出更高的输出功率和更好的光束质量的激光。 目前单根板条激光器连续输出功率已超过千瓦，脉冲输出能量超过百焦耳。其 发展方向是用大功率半导体列阵激光器侧向面泵浦，以获得更高的效率和更好的 光束质量。板条激光晶体由于具有三组对称面，因此有面抽运、边抽运和端面抽运 三种抽运方式。面抽运由于抽运面积较大，因而相应抽运功率密度较低，增益介质 内增益分布较均匀，热梯度较小，不足之处是冷却面与抽运面重合，冷却介质容易 污染抽运面，降低抽运效率。边抽运具有抽运效率高，抽运面与冷却面相分离，有 利于保持系统长期工作稳定性等优点，但是却有着较为严重的热光效应，而且抽运 面较小，难以注入高功率抽运光。端面抽运板条与端面抽运圆棒类似，将抽运光从 晶体的端面入射，由于板条激光器的端面面积通常更小而且为矩形，这对其耦合是 一项具有挑战性的工作。此外，还可将板条切割成其他形状，采用更灵巧的方式来 抽运。板条激光器的厚度或宽度与抽运吸收长度相匹配，一般通过锯齿字形光路以 补偿厚度方向上的热畸变。宽度方向尺寸根据激光输出功要求设计，并采用边缘绝 热技术控制该方向的热流，减小温度梯度，从而实现高光束质量激光输出。但板条 侧效应、端效应会影响光束质量并且要求的调节精度较高【4】。尽管如此，这种激 光器在高功率抽运下，由于板条固体激光器工作介质宽、厚度比较大，仍然存 在一定的热透镜效应，在板条宽度的光束质量较差 。 在有限宽度和长度的板条中，边缘效应和端面效应都会产生畸变；高功率抽运 下，板条仍然存在热透镜效应和退偏；在薄板条中，放大自发辐射效应也严重影响 着激光效率和光束质量；非轴对称的板条不可避免会产生像散，使光束在两个垂直 5 方有不同的光斑大小、光腰位置和波面曲率。为此，在板条构型、谐振腔设计、冷 却结构、激光材料介质上做了许多的创新。 值得注意的是，虽然板条具有较好的热特性，但如果不解决抽运的均匀性，仍 然不可能获得良好的效果。还需特别注意的是，即使抽运均匀，若介质中增益分布 不均匀，高功率固体激光器工作时仍然会造成波前畸变。因此，在抽运耦合及分布 的均匀性、增益介质的动态光学均匀性、传导冷却和微通道热沉的理论分析与数值 模、热管理、有源腔模场等还还需要进一步的研究。 图1-2 19KW高功率板条激光器 图1-3 端面抽运的板条激光器5 6 1.3薄片激光器 薄片激光器由多个模块组成，其中每个模块由两个平行放置的增益介质薄 片构成，以一定距离间隔放置，在每个模块内部都有冷却结构，抽运光束由模块 的两侧以平行或成一定角度入射到薄片介质的表面。在左边介质薄片的右侧面和 邮编薄片的左侧面分别附着两个金刚石热沉，在两个金刚石热沉之间构成一个冷 却液体通道，以便于对热沉进行冷却 【6】。 薄片激光器的结构特点是激光介质具 有大的口径和厚度比，采用面抽运、面冷却，通过精密光学系统设计使光纤耦合输 出的抽运光在晶体薄片中多次通过，增加对其吸收。这种结构的热梯度分布方向与 激光束传播方向相同，避免了热透镜效应引起的不利影响，而且，薄的晶体明显降 低了 Yb：YAG 的重吸收损耗，从而提高了转换效率。因此，薄片激光十分适合高亮 度、高平均功率发展的需要。其不足之处在于：光学设计非常复杂，元器件多，不 利于系统的稳定性；高功率抽运时要求在很小的面积内将千瓦级的热带走，其散热 系统设计十分困难。薄片激光器通过设计可实现端面多通抽运、侧面抽运以及混合 抽运。端面抽运的结构，将薄片增益介质采用某种方式焊接在微通道冷却的热沉上， 这个过程应设法避免薄片介质在焊接过程中引入的应力。薄片增益介质的后端面作 为腔镜镀抽运光和激光的高反膜，前端面镀二者的增透膜，输出镜一般采用球面镜。 抽运光以一定的角度入射在增益介质上，两处通过增益介质后，出射的剩余抽运光 再次被反射回增益介质，如此反复，抽运光多次通过薄片介质最后达到很高的吸收 值，整个过程要求抽运尽量均匀化【7】。 薄片激光器的原理就是将增益介质加工成很薄的薄片状，其中一个表面制备 对泵浦光和激光的高反膜，然后将该面焊接到水冷系统上，该平面还充当激光器的 一个腔镜。在纵向平顶泵浦光作用下，该结构可以产生垂直于晶体表面均匀的热流， 因而梯度方向与输出光束方向一致，可以有效克服热透镜效应【8】。该结构的设计重 点就是要保证在一定吸收率的前提下，有效减少晶体两端温差。 目前，千瓦级薄片激光器已经形成产品，与商用棒状激光器相比，其光束质量 至少要好 3 倍，而且薄片激光器的光束质量还在不断提升，结合热容量工作模式， 可能发展成为新一代高功率固体激光器。 7 图 1-4 面抽运的薄片激光器结构示意图 图 1-5 边缘抽运的薄片激光器结构图 1.4光纤激光器 光纤激光器是近年来激光领域关注的热点之一，也是目前实现高平均功率、高 光束质量激光的重要手段之一。光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介 质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来，在泵浦光的作用下光 8 纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加 入正反馈回路构成谐振腔便可形成激光振荡输出。 双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤，它由纤芯、内包层和外包层组成，比 常规的光纤增加了一个内包层。其中，纤芯一般掺有稀土离子，如：Nd3+，Yb3+或 Er3+等，其直径在微米至几十微米量级，是单模激光的传输波导；内包层包绕在纤 芯的外围，是抽运光的传输波导，其直径和数值孔都比较大，多为百微米，因此与 传统光纤激光器需要将抽运光耦合到纤芯相比，双包层光纤激光器只需要将抽运光 耦合到双包层中即可，其耦合效率很高。抽运光在内包层传输时，以全反射方式反 复穿越纤芯，被纤芯内的稀土离子吸收，从而产生单模激光，并具有很高的转换效 率，如掺镱光纤的光一光转换效率可达80以上【9】。近年来，随着双包层光纤制造 技术、高功率LD抽运源技术以及先进的光束整形技术等的迅速发展，高功率光纤激 光器技术也在日新月异，其关键技术包括包层抽运技术、谐振腔技术和调制技术等 都获得了重大突破。包层抽运技术主要有端面抽运和侧面抽运两种方式。端面抽运 又可以分为透镜直接耦合、光纤端面熔接耦合和多个小功率LD端面耦合等方式，它 具有结构简单的优点，但存在输出功率有限，不容易扩展的缺点，目前实现千瓦级 的高功率激光输出大都采用端面抽运或双端抽运的结构；侧面抽运主要有V形槽法、 狭缝法、角度磨抛法、二元衍射光栅嵌入镜法、熔接法、分布式包层和集中抽运等 方式，功率容易扩展，但工艺非常复杂，目前国际上采用侧面抽运能实现高功率输 出的还不多，处于研究状态。 双包层光纤激光器的谐振腔主要有两种方式，一是利用双色镜作为腔镜，与传 统的固体激光器类似，实现起来比较容易，但无法实现全光封装，可靠性稍差，且 不利于光纤激光器的实用化和产品化。另一种方式是采用光纤光栅作为谐振腔镜， 光纤光栅具有非常好的波长选择特性，损耗低，并且可以和光纤熔接在一起，使抽 运光耦合变得比容易而且效率很高，整体的可靠性提高很多，易于实现全光结构， 利于实用化和产品化。目前两种方式均被采用，但高功率的光纤激光器对光纤光栅 的工艺要求很高，国内目前尚难以实现。 原则上说，任何一类激光器单路输出功率总是有限的。为提高激光器的输出功 率。必须采用功率合成。对于高功率的光纤激光器，功率合成显得最为迫切。根据 9 应用需要，功率合成可以是相干或非相干的。非相干功率合成已有比较成熟和长期 的应用了。它可以是空间、时间或光谱上的叠加。例如激光聚变研究，已采用了几 十、上百路的空间叠加合成【10】。多路脉冲激光可以从时间上叠加成同一光路的重 复频率更高的激光。但相干功率合成在有的应用场合更是迫切需要的。高功率光纤 的相干合成还没有实质性的突破，为了发展成武器级的应用，光纤激光器的相干合 成技术已成为研究热点【11】。但目前仅有中小功率范围的研究结果，而且相干合成 后系统的复杂性大为增加。其中一个重要原因是光纤是一个对物理量极其敏感的元 件，在高平均功率下控制其波面远比块状介质的难。因此，高功率新相干合成技术 的理论、实验都有待突破。如果高功率光纤激光器相干合成技术能进入实用，将构 成新一代超高平均功率激光器，特别是建成 “相控阵”激光器，其意义将是不可 估量的。随着双包层光纤技术、高功率抽运源技术和抽运技术的发展，单根光纤激 光器的连续输出功率很快从百瓦量级发展到千瓦量级。 图1-6 双包层光纤示意图 10 2 高功率固体激光器技术研究 2.1 热容激光技术 固态激光器热容运转技术由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室1998年提出的 【12】。激光器先在无冷却的条件下发射激光，当激光发射停止时再对晶体进行冷却。 该运转模式突破性地从时间上将激光发射和晶体冷却分为两个交替发生、相辅相成 的阶段，大大降低了传统冷却方式中由于晶体表面及其内部温度梯度过大而导致的 光学畸变和物理变形等不利影响，因此发射的激光能同时具有高的输出功率和光束 质量，而且可以使用大尺寸激光晶体以提高输出功率。该运转方式利用固体激光介 质的热容存储废热，以减小温度梯度造成的热畸变，所以需要使用热容较大的增益 介质材料，发射激光时废热存储在增益介质里，所以发射激光时间不能过长，只能 间歇式工作，通常在秒级。热容激光器最常用的激光晶体是Nd：GGG，近年来也逐 步开始采用Nd：YAG，尤其是大尺寸的陶瓷Nd：YAG。这种陶瓷材料不仅具有单晶的 光学性能，而且由于陶瓷材料的制备工艺与单晶生长完全不同，不受坩锅和晶体应 变限制，可制备大尺寸陶瓷激光材料，而且制备周期短，仅为单晶生长周期的几十 分之一；费用低，有利于大规模生产；易于掺杂等优点，成为最受关注的激光晶体 之一。热应力造成固体工作介质破坏，从而限制了固体激光器的最大输出平均功率。 抽运光通过表面进入工作介质，冷却也是通过表面进行的。通常工作时抽运和冷却 是同时进行的，工作介质表面的温度比内部的低，表面受到拉应力。热容激光技术 在抽运和激光发射期间不对工作介质冷却，激光发射停止后的间歇期间才对工作介 质冷却，然后进入下一个循环。因此激光发射期间工作介质表面的温度比内部的高。 表面受到压应力。由于固体激光工作介质抗压远大于抗拉，因此，热容模式工作时， 工作介质可承受比通常工作模式高几倍的平均功率而不致因热应力造成破坏。由于 间歇时间致冷，可以采用自然风冷，整体结构减小，适合某些军用场合。热容工作 模式的一个缺点是需要间歇时间以便对工作介质进行冷却。如果用已冷却的工作介 质代替受热的，那么就可以缩短激光系统运转的间歇时间【13】。热容模式工作时， 不专门对工作介质进行冷却，工程上既没有、也没有必要对工作介质热绝缘。 虽然工作介质中的热畸变比常规模式工作的低，但由于介质要向周围环境散热， 11 以及抽运的不均匀等，必然要在工作介质中造成热畸变，因此热容模式工作不应作 为获得高光束质量的一种手段。 几乎所有几何形状的块状固体介质都采用热容激光技术，高功率固体激光器大 多采用盘片状工作介质，这是因为各种瞬态光-机形变与工作介质的几何形状有关， 盘片激光介质的热特性良好，而且可以使其变形与激光轴线方向基本一致，因此可 保持良好的光束质量，而且通过增加盘片的面积和数量可以增加激光系统的输出功 率。 2.2 激光相干合成技术 自从激光技术产生之日起，具有高功率和高质量特性的激光系统就是人们不断 追求和发展的目标，为实现这一目标，有两种方式：1、通过设计优化等方式提高 单个激光器的输出功率；2、采用若干较低输出功率的激光器组成的阵列进行组束 输出，获得高功率的同时保持搞的光束质量。第二种方式就称为激光相干合成技术， 从另一方面看，这种技术可以将现有的组束技术和激光器技术结合起来，是一种技 术的集成，它可以直接利用众多成熟的中小功率激光器的技术研究成果，可以避免 大功率器件所特有的光学非线性效应和工作介质的光学损伤、热损伤等问题，可以 在不显著劣化单台激光器良好光束质量的情况下获得比单台激光器输出功率高得多 的激光束。它的典型代表是2003年由美国诺格公司提出的MOPA结构。2006年，该研 究所 采用这种结构成功地将2个激光放大链输出的激光锁相相干合成，得到功率19 kW， 光束质量小于2倍衍射极限的激光输出。单台固体激光器虽然可以通过定标放大提 高输出功率，由于受到稳定性、热效应、激光介质本身特性等结构因素的限制，目 前很难获得超过万瓦的高光束质量输出【14】。近年来，为了获得更高平均功率的激 光输出，激光相干合成技术逐渐成为科学家们研究的热点。 激光束的相干合成技术在要求高功率、高亮度激光束的场合下有广泛的应用。 和其他合成技术相比，这种技术具有简单性、稳定性和可扩容性。自由空间光通讯 要求高功率高亮度激光束，以使光束可以在较长距离内传输。在工业领域内，可以 利用高功率高亮度激光束进行切割、焊接、钻探和给这种物品打标，而且随着激光 束功率和亮度的增高，回事处理速度加快，从而节约生产成本。 12 激光束的相干合成是一种通过对多束波长相同的激光进行精密的相位控制，使 它们的输出相位保持一致，实现多束激光的相干叠加的技术。它能在保持良好光束 质量的前提下，将多束中小功率激光的功率进行叠加，为获得高功率高亮度激光提 供了一条有效的途径。目前应用较为广泛的主要有有源相位控制技术和自适应锁相 技术，均取得了较为理想的实验结果。有源相位控制技术，是一种主动式的闭环有 源相位校正技术，即利用反馈系统与相位控制元件实现对各个激光束相位的控制 自适应锁相技术，是一种被动式的无源自适应相位校正技术，即将多个激光器组成 一个自适应复合腔，通过引入新的选模机制，实现各个激光器间输出能量的相互影 响，并最终达到相位锁定。 国内在这方面的研究还处于起步阶段，但是已经取得了一定的进展。自从半导 体激光抽运技术诞生以来，固体激光器的高效率和高亮度输出正在引起激光技术领 域一场新的革命。但由于介质的非线性效应，热损伤等物理机制的限制。激光相干 合成技术技术的意义在于，在保证高光束质量的同时，提高了输出光束的功率，实 现了亮度的提高，实现了远距离的传输，内部的模块化结构分散了热效应，克服了 热造成的高能激光平均亮度下降的主要影响因素。因此，对于内部能量高度集中的 高功率固体激光传统体系结构而言，基于相干合成的新型体系结构有可能解决亮度 和热度管理两个难题，已经成为高能激光技术发展的重要方向。 由于固体激光器的相干合成技术在国防和民用的多个领域有广阔的应用前景， 目前国内外多个国家研究机构都开展了相关研究，比较常用的方法有基于震荡功率 放大器结构的主动相位控制法和自组织相干合成法。主动相位控制相干合成的基本 原理是主振荡激光器作为种子激光器，输出的光束经分束器分为N路，每一路个均 含有一个相位调制器和一个放大器，相位调制器的后端接隔离器加以保护。同时还 分出一路作为参考光，光路上设置移频器。多路光束通过准直器阵列输出，阵列光 束经过分光镜后，一部分光束进入探测与控制模块，得出每路的相位校正器件的控 制电压，实现对相位变化的实时补偿，确保准直器阵列输出的光束相位保持一致 【15】。自主相干合成是一种自组织机理的无源相位自调整方案，其基本思路是通过 激光器阵列单原件的能量相互注入耦合实现自动的相位锁定，合适的能量耦合方式 和足够的耦合强度是自组织锁相有效进行的关键影响因素。该方法的优点是结构简 13 单易于实现，无需复杂的外部反馈控制回路。 3 高功率固体激光器的应用 高功率固体激光器在激光加工领域的应用主要有激光切割、焊接、表面处理和 快速成型等。激光加工不仅极大地提高了工效和质量，而且有些加工工艺非激光莫 属。发达国家的加工行业已经逐步进入了激光加工时代。比如德国的激光加工装备 居于世界领先地位，尤其是在汽车制造和汽车配件行业中，激光加工技术被广泛采 用。日本激光加工占到整个加工制造业的10以上【17】。目前的高功率激光加工中 多采用C02激光器和灯泵固体激光器，高功率固体激光器由于价格因素的限制，其应 用刚刚起步。国内高功率激光应用于工业加工起步晚，但发展很快，高功率固体激 光器用于工业加工将带来巨大的经济和社会效益，大幅度提升我国工业加工的国际 竞争力。 在潜艇、军舰、航母等船舶的器制造过程中，需要对复杂形状的厚钢板进行焊 接、切割、表面处理等加工。近年来，欧美等发达国家将固体激光加工技术引入航 母、潜艇、军舰等船舶的制造过程中，船体分段制造、拼接总装而成。此外，采用 激光焊接的精密网状合金钢结构来加强船体并减轻重量的技术也被广泛采用。美国 的航空母舰采用该技术，使该航母的重量降低约200吨【18】。同时，为了在变化多样 的海洋漩流中保持较高的航速，船体都被设计成具有复杂的三维曲率形状以减小阻 力，这样的船体采用传统的机械加工不仅费时、费力，而且难度相当大。如采用激 光加工技术则能大幅度提高制造精度、加工强度和生产效率。 高功率固体激光器直接应用于军事领域也显示出了越来越旺盛的生命力。激光 武器具有速度快、射击时无需提前量；机动灵活、拦击目标多；精度高、可专打目 标要害部位；无污染；效费比高；不受电磁干扰等显著优点，在激光致盲、光电对 抗、激光软硬杀伤、激光点火核聚变、同位素分离等领域有广泛的应用前景。激光 武器作为未来最主要的战略性武器之一将遍及海陆空天，在战场上的全局性作用不 可替代。 14 结 论 高功率固体激光器经过几十年的发展，人们在抽运方式、工作介质、光路设计、 工作模式、光束质量控制等方面不断创新，使激光器成功实现了高功率、高光束质 量的激光输出。其中，千瓦级的激光器已经大量被用于工业加工，在材料处理、激 光打标、激光焊接等领域也有着广阔的应用背景。 由于大功率激光器迅速发展，促成固体激光器的研发工作得以卓有成效地展开， 并取得了诸多显著成绩。传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地 位的所有运转方式，均可以通过半导体激光器泵浦成功地加以实现。通常应用在激 光打标机、激光划片机、激光切割机、激光焊接机，激光去重平衡、激光蚀刻等系 统中。由于全固态激光器具有高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿 命长、体积小等优势，采用固体激光器已成为激光加工设备的趋势和主流方向。 通过对四种高功率固体激光器的性能分析，特点与优势，阐述了研究高功率固 体激光器的必要性及重要性，然后着重介绍了两种关键技术。通过热熔激光技术可 以获得较高的输出功率，高的光束质量。激光束的相干合成技术具有简单性、稳定 性和可扩容性，国防和民用的多个领域有广阔的应用前景。当然，不同种类的固体 激光器除了自身的优势之外也有不足之处，所以这些都还待进一步的研究和改进。 （1）圆棒激光器中晶体棒中心的温度比表面高得多，导致较严重的热透镜效应 和热退偏，降低了输出激光的光束质量，因此侧面抽运的光光转换效率普遍比端面 抽运要低，一般为40左右. （2）板条激光器的不足之处是冷却面与抽运面重合，冷却介质容易污染抽运面， 降低抽运效率。 （3）薄片激光器的不足之处在于：光学设计非常复杂，元器件多，不利于系统 的稳定性；高功率抽运时要求在很小的面积(内将千瓦级的热带走，其散热系统设 计十分困难。 （4）光纤激光器中端面抽运技术有输出功率有限，不容易扩展的缺点；侧面抽 运技术的功率虽然容易扩展，但工艺非常复杂，目前国际上采用侧面抽运的技术不 15 多。 致 谢 经过半年的忙碌和准备工作，本次毕业设计快要结束了，作为一名大四毕业生， 由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。从论文的选题、资料的收集到论 文的撰写编排整个过程中，我得到了许多的热情帮助。 首先要感谢李老师细心的指导，李老师多次询问论文的准备情况，帮助我开拓 研究思路，精心点拨、热忱鼓励，并对我的论文提出了很多宝贵的意见。李老师一 丝不苟的作风，是我学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，感谢李老师 对我的关心和照顾, 在此表示最诚挚的谢意。 其次还要感谢大学四年来所有的老师，