本发明公开了一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器及其使用方法,包括：泵浦激光器、激光增益池、非稳定谐振腔和电光调Q装置。泵浦激光器输出的泵浦激光光束从激光增益池的增益介质端面泵浦，透射至激光增益介质内，向所述谐振腔提供能量；激光在由凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成的非稳定谐振腔中振荡，并通过电光调Q装置进行脉冲调制，最后脉冲激光从刮刀镜输出。本发明提供了一种单腔振荡实现高重频(≥200Hz)、大能量(≥20J)、窄脉宽的激光器。该激光器将具有效率高、结构简单、可放大性好、使用可靠、环境适应能力较强等特点。可以被广泛地使用在工业加工，特别是熔覆冲击强化领域。
1.一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于，包括：两个泵浦激光器、激光增益池、电光调Q装置和非稳定谐振腔；所述非稳定谐振腔由凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成；所述电光调Q装置由薄膜偏振片、普克尔盒、λ/4波片组成；
将激光增益池内的振荡激光的通光方向定义为x轴方向，泵浦光的通光方向定义为y轴方向，根据右手法则判定z轴的方向；
所述激光增益池内的增益介质沿x轴排列，所述两个泵浦激光器平行相对设置于激光增益池的两侧，与激光增益池内的增益介质排列方向垂直，即沿y轴方向；沿x轴方向，依次设置有凹面反射镜、激光增益池、刮刀镜、薄膜偏振片、普克尔盒、λ/4波片和凸面反射镜或沿x轴方向，依次设置有凹面反射镜、激光增益池、刮刀镜、薄膜偏振片，在薄膜偏振片后，沿y轴方向，依次设置有普克尔盒、λ/4波片和凸面反射镜；所述凹面反射镜的凹面面向激光增益池，所述凸面反射镜的凸面面向λ/4波片；
所述泵浦激光器输出的泵浦激光光束从激光增益池的增益介质端面，即xz面泵浦，透射至激光增益介质内，为激光的形成提供增益，激光在由凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成的非稳定谐振腔中振荡，并通过电光调Q装置进行脉冲调制，最后脉冲激光从刮刀镜输出。
2.根据权利要求1所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述泵浦激光器为二极管激光面阵，采用双面对泵准连续运行方式，泵浦重复频率≥200Hz，单面阵泵浦平均功率10kW，输出中心波长为808nm或者940nm，光谱半高宽3nm。
3.根据权利要求1所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述激光增益池为可输出激光光斑口径大于30mm×30mm的增益模块，所述激光增益池采用浸入式液冷的固体激光技术，将激光增益介质浸没在高透过率冷却液体中，泵浦光从激光增益介质xz端面泵浦，激光从激光增益介质yz面通过。
4.根据权利要求3所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述激光增益介质为平行排列的晶体、玻璃或陶瓷片。
5.根据权利要求1所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述非稳定谐振腔为凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成的正支非稳凹凸腔结构，提供一往返光路，以使激光在谐振腔内发生振荡并输出激光；所述凹面反射镜和凸面反射镜的曲面均镀有对振荡激光的高反介质膜，对激光波长的反射率大于99.8%；所述刮刀镜为镀有对振荡激光的高反介质膜；所述刮刀镜与激光光轴呈45°或者30°设置，对激光波长的反射率大于99.8%。
6.根据权利要求1所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述电光调Q装置结构可以为偏振片透射式电光调Q或者偏振片反射式电光调Q；所述薄膜偏振片与激光光轴呈为45°或者55.6°设置；所述薄膜偏振片的激光入射面镀有对振荡激光垂直偏振态的高反介质膜，对激光波长的反射率大于99.8%，薄膜偏振片的双面镀有对振荡激光水平偏振态的高透介质膜，对激光波长的透过率大于99.5%。
7.根据权利要求6所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述普克尔盒为口径大于30mm×30mm的磷酸二氘钾（KD*P）晶体。
8.根据权利要求1所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述高重频大能量纳秒级激光器，输出波长为1064nm或者1030nm。
9.根据权利要求1所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述非稳定谐振腔的放大率为2，普克尔盒晶体的通光口径为30mm×30mm时，输出光斑为外方为60mm×
60mm，内方为30mm×30mm的环状空心光斑，单脉冲能量≥20J，重复频率≥200Hz。
10.权利要求1至9中任意一项所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：
泵浦激光器输出的泵浦激光光束从激光增益池的增益介质端面泵浦，透射至激光增益介质内，向所述谐振腔提供能量，所述激光增益介质置于高透过率冷却液体中，为激光的形成提供增益；激光在由凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成的非稳定谐振腔中振荡，并通过电光调Q装置进行脉冲调制，最后脉冲激光从刮刀镜输出，提供了一种单腔振荡实现高重频≥200Hz、大能量≥20J、窄脉宽的激光器。
11.根据权利要求4所述的高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于：所述激光增益介质为掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷、掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃、或掺杂Yb离子的陶瓷。
一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明属于大能量脉冲激光技术领域，具体涉及一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器以及单一谐振腔实现高重频大能量纳秒级脉冲的方法。
背景技术
[0002] 大脉冲能量纳秒级脉冲激光器在工业、科学研究和国防方面都有着非常重要的应用需要。在工业应用方面，各类激光器特别是高能激光器也取得了广泛应用，包括在激光加工、激光淬火、激光熔覆、激光冲击强化、激光清洗等方面。由于高能激光输出功率较大，还可用于部件直接激光快速成型及金属表面改性等应用，最典型的工业应用是经过大能量纳秒脉冲激光冲击强化的金属材料的使用寿命可以延长数倍甚至更长。大脉冲能量激光还具有广泛的国防应用。尽管目前激光器已经在在工业应用和国防领域获得了广泛应用，但是由于目前激光器水平的限制，用于激光加工(特别是熔覆冲击强化)以及国防领域的激光器还远远无法满足应用的需求。因此迫切需要研制出高重频、大脉冲能量、窄脉宽的激光器。此外为了适应激光器的应用推广，对于激光器的成本造价、激光系统的复杂程度、体积重量、可靠性和环境适应性也提出了较高要求。
[0003] 目前已见单脉冲能量大于100J的激光系统报道，但是其重复频率很低，一般低于10Hz，这就限制了它的一些应用；而在百Hz量级的脉冲激光器，最高单脉冲能量5J，重复频率200Hz；这两种激光器均采用MOPA结构，使得系统结构很复杂，成本很高，效率相对较低，对运行环境要求苛刻(无法满足野外作业需求)，而且进一步放大困难重重；而使用结构简单的单一谐振腔振荡方式同样可以获得脉冲激光器，但其受限于固体激光光斑口径和主动调制元件的尺寸，获得的单脉冲能量最大仅为百mJ量级，不足以对光学系统造成破坏，也很难满足特殊工业加工的需求。
发明内容
[0004] 鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种单腔振荡实现高重频(≥200Hz)、大能量(≥20J)、窄脉宽的激光器。该激光器将具有效率高、结构简单、可放大性好、使用可靠、环境适应能力较强等特点。可以被广泛地使用在工业加工(特别是熔覆冲击强化)领域。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案：一方面提供一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器，其特征在于，包括：泵浦激光器，其用以输出808nm或者940nm泵浦源激光光束；激光增益池，为可输出激光光斑口径大于30mm×30mm的增益模块，采用浸入式液冷固体激光技术是实现输出大口径光斑的激光技术之一，将激光增益介质浸没在高透过率冷却液体中，利用液体与固体高速对流进行高效率换热，所述的激光增益池采用但不仅限于如下形式实施(增益池采用的结构参考文献(OPTICS EXPRESS,Vol.24,No.13,15012-15020，2016；OPTICS EXPRESS,Vol.26,No.11,13915-13926，2016)；非稳定谐振腔，提供一往返光路，以使激光在谐振腔内发生振荡并输出激光；由凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成；电光调Q装置，其对激光进行脉冲调制，由薄膜偏振片、普克尔盒、λ/4波片组成，整体置于刮刀镜与凸面反射镜之间；将激光增益池内的振荡激光的通光方向定义为x轴方向，泵浦光的通光方向定义为y轴方向，根据右手法则判定z轴的方向；所述激光增益池内的增益介质沿x轴排列，所述两个泵浦激光器平行相对设置于激光增益池的两侧，与激光增益池内的增益介质排列方向垂直(沿y轴方向)；沿x轴方向，依次设置有凹面反射镜、激光增益池、刮刀镜、薄膜偏振片、普克尔盒、λ/4波片和凸面反射镜；或沿x轴方向，依次设置有凹面反射镜、激光增益池、刮刀镜、薄膜偏振片，在薄膜偏振片后，沿y轴方向，依次设置有普克尔盒、λ/4波片和凸面反射镜，所述凹面反射镜的凹面面向激光增益池，所述凸面反射镜的凸面面向λ/4波片；
所述泵浦激光器输出的泵浦激光光束从激光增益池的增益介质端面(xz面)泵浦，透射至激光增益介质内，为激光的形成提供增益，激光在由凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成的非稳定谐振腔中振荡，并通过电光调Q装置进行脉冲调制，最后脉冲激光从刮刀镜输出。
[0006] 基于以上技术方案，优选的，所述泵浦激光器为二极管激光面阵，采用双面对泵准连续运行方式，泵浦重复频率≥200Hz，单面阵泵浦平均功率10kW，中心波长为808nm或者940nm，光谱半高宽3nm。
[0007] 基于以上技术方案，优选的，所述激光增益池为采用浸入式液冷固体激光技术，将激光增益介质浸没在高透过率冷却液体中，泵浦光从激光增益介质端面(xz面)泵浦，激光从激光增益介质大面(yz面)通过。所述增益池采用的结构参考文献(OPTICS EXPRESS,Vol.24,No.13,15012-15020，2016)
[0008] 基于以上技术方案，进一步优选的，所述激光增益介质为多片平行排列的晶体、玻璃或陶瓷片，更为优选的，所述激光增益介质为掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷，掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃、或掺杂Yb离子的陶瓷。
[0009] 基于以上技术方案，优选的，所述非稳定谐振腔为由凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成的正支非稳腔结构，提供一往返光路，以使激光在谐振腔内发生振荡并输出激光。。所述凹面反射镜和凸面反射镜的曲面均镀有对振荡激光的高反介质膜，对激光波长的反射率大于99.8％；所述刮刀镜为镀有对振荡激光的高反介质膜，所述刮刀镜与激光光轴呈45°或者30°设置，使得激光的入射角为45°或者30°，对激光波长的反射率大于99.8％。
[0010] 基于以上技术方案，优选的，所述电光调Q装置由薄膜偏振片、普克尔盒、λ/4波片组成，整体置于刮刀镜与凸面反射镜之间。所述薄膜偏振片与激光光轴呈45°或者55.6°设置，使得激光为45°或者55.6°入射，通过改变谐振腔内的起振模式使得电光调Q装置结构可为偏振片透射式电光调Q或者偏振片反射式电光调Q；所述薄膜偏振片的激光入射面镀有对振荡激光垂直偏振态的高反介质膜，对激光波长的反射率大于99.8％；薄膜偏振片的双面镀有对振荡激光水平偏振态的高透介质膜，对激光波长的透过率大于99.5％；若为偏振片透射式电光调Q时，电光调Q过程是：激光增益介质在LD泵浦下，发射自然光，通过偏振片透射后，变成水平偏振光，若普克尔盒晶体上未施加电压，激光两次通过普克尔盒和λ/4波片后，激光偏振状态改变π相位差，变为垂直偏振光，在谐振腔内不能形成振荡，待激光上能级反转粒子数累积到最大值时，突然施加调制晶体上的λ/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，从刮刀镜输出一个水平偏振态的巨脉冲；若为偏振片反射式电光调Q时，电光调Q过程是：激光增益介质在LD泵浦下，发射自然光，通过偏振片反射后，变成垂直偏振光，若普克尔盒晶体上未施加电压，激光两次通过普克尔盒和λ/4波片后，激光偏振状态改变π相位差，变为水平偏振光，在谐振腔内不能形成振荡，待激光上能级反转粒子数累积到最大值时，突然施加调制晶体上的λ/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，从刮刀镜输出一个垂直偏振态的巨脉冲。所述电光普克尔盒为口径大于30mm×30mm的磷酸二氘钾(KD*P)晶体，其光学损耗低，消光比高，电光性能好，利用其纵向电光效应实现电光调Q开关。
[0011] 基于以上方案，优选的，所述高重频大能量纳秒级激光器，输出波长为1064nm或者1030nm。
[0012] 基于以上方案，优选的，采用KD*P电光普克尔盒通光口径为30mm×30mm，放大率为2的腔镜及刮刀镜，输出光斑为外方(60mm×60mm)内方(30mm×30mm)的环状空心光斑，单脉冲能量≥20J，重复频率≥200Hz。
[0013] 本发明另一方面还提供一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器的使用方法，所述使用方法包括：所述泵浦激光器输出的泵浦激光光束从激光增益池的增益介质端面泵浦，透射至激光增益介质内，向所述谐振腔提供能量，所述激光增益介质置于高透过率冷却液体中，为激光的形成提供增益；激光在由凹面反射镜、凸面反射镜和刮刀镜组成的非稳定谐振腔中振荡，并通过电光调Q装置进行脉冲调制，所述电光调Q装置由薄膜偏振片、普克尔盒、λ/4波片组成，置于刮刀镜后面，最后脉冲激光从刮刀镜输出。
[0014] 有益效果
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明为了填补单一谐振腔振荡方式直接获得高重频大能量脉冲激光器研究的空白，采用浸入式液冷固体激光结合特殊设计的非稳腔结构和大口径主动调Q元件，以单一谐振腔振荡方式直接获得大的单脉冲能量，重复频率大于等于200Hz，并具有好的定标放大性，可满足在工业、科学研究和国防方面的重要应用。
附图说明
[0016] 图1为本发明所述一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器对应的结构示意图(偏振片透射式电光调Q)；
[0017] 图2为本发明所述一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器对应的结构示意图(偏振片反射式电光调Q)；
[0018] 图中：1、泵浦激光器，2、激光增益池，3、凹面反射镜，4、刮刀镜，5、薄膜偏振片，6、普克尔盒，7、λ/4波片，8、凸面反射镜。
具体实施方式
[0019] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020] 如上所述，鉴于现有技术中存在单一谐振腔振荡方式直接产生高重频大能量脉冲激光器难以获得的问题。
[0021] 实施例1
[0022] 本发明的第一种实施方式如图1所示，本发明提供了一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器(偏振片透射式电光调Q)，包括：
[0023] 泵浦激光器1；激光增益池2，凹面反射镜3、凸面反射镜8，刮刀镜4，薄膜偏振片5，普克尔盒6，和λ/4波片7，凹面反射镜3和凸面反射镜8的放大率M＝2，腔长(腔长为凹面反射镜和凸面反射镜之间的光学距离)1500mm，凹面反射镜和凸面反射镜的曲率半径大小分别为6000mm和3000mm；将激光增益池2内的振荡激光的通光方向定义为x轴方向，泵浦光的通光方向定义为y轴方向，根据右手法则判定z轴的方向；所述激光增益池内的增益介质沿x轴排列，所述两个泵浦激光器1平行相对设置于激光增益池2的两侧，与激光增益池2内的增益介质排列方向垂直(沿y轴方向)；沿x轴方向，依次设置有凹面反射镜3、激光增益池2、刮刀镜4、薄膜偏振片5、普克尔盒6、λ/4波片7和凸面反射镜8；所述凹面反射镜3的凹面面向激光增益池，凸面反射镜8的凸面面向λ/4波片，刮刀镜与激光光轴呈45°设置，薄膜偏振片与激光光轴呈为45°设置；所述刮刀镜为镀有对振荡激光的高反介质膜，反射率大于99.8％；所述薄膜偏振片的激光入射面镀有对振荡激光垂直偏振态的高反介质膜，对激光波长的反射率大于99.8％，所述薄膜偏振片的双面镀有对振荡激光水平偏振态的高透介质膜，对激光波长的透过率大于99.5％；所述泵浦激光器1输出的泵浦激光光束，波长808nm，重复频率≥200Hz，单面阵泵浦平均功率10kW，从激光增益池2的增益介质端面(xz面)泵浦，透射至激光增益介质内，为激光的形成提供增益，激光在由凹面反射镜3、凸面反射镜8和刮刀镜4组成的非稳定谐振腔中振荡，并通过电光调Q装置进行脉冲调制，最后脉冲激光从刮刀镜输出。
采用通光口径为30mm×30mm的KD*P电光普克尔盒。增益介质为Nd:YAG晶体，通激光口径大于60mm×60mm；在泵浦激光器1泵浦下，发射自然光，通过薄膜偏振片5透射后，变成水平偏振光，若普克尔盒6晶体上未施加电压，激光两次通过普克尔盒6和λ/4波片7后，激光偏振状态改变π相位差，变为垂直偏振光，在谐振腔内不能形成振荡，待激光上能级反转粒子数累积到最大值时，突然施加调制晶体上的λ/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，最后从刮刀镜4输出一个水平偏振态的巨脉冲，输出的激光波长1064nm，输出光斑为外方(60mm×60mm)内方(30mm×30mm)的环状空心光斑，单脉冲能量≥20J，重复频率≥200Hz。
[0024] 实施例2
[0025] 本发明的第二种实施方式如图2所示，本发明提供了一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器(偏振片反射式电光调Q)，仅有电光调Q部分有所不同，其他均与实施例1相同。所述电光调Q装置采用偏振片反射式电光调Q；沿x轴方向，依次设置有凹面反射镜3、激光增益池2、刮刀镜4、薄膜偏振片5，在薄膜偏振片5后，沿y轴方向，依次设置有普克尔盒6、λ/4波片7和凸面反射镜8，述凹面反射镜3的凹面面向激光增益池，凸面反射镜8的凸面面向λ/4波片；电光调Q过程是：增益介质Nd:YAG晶体在泵浦激光器1泵浦下，发射自然光，通过偏振片反射后，变成垂直偏振光，若普克尔盒晶体上未施加电压，激光两次通过普克尔盒和λ/4波片后，激光偏振状态改变π相位差，变为水平偏振光，在谐振腔内不能形成振荡，待激光上能级反转粒子数累积到最大值时，突然施加调制晶体上的λ/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，从刮刀镜输出一个垂直偏振态的巨脉冲，输出激光波长
1064nm，输出光斑为外方(60mm×60mm)内方(30mm×30mm)的环状空心光斑，单脉冲能量≥
20J，重复频率≥200Hz。
[0026] 实施例3
[0027] 本发明的第三种实施方式如图1所示，本发明提供了一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器(偏振片透射式电光调Q)，仅有泵浦激光器1和激光增益池2内的增益介质部分与实施例1有所不同，其他均相同。
[0028] 所述泵浦激光器1输出的泵浦激光光束，波长940nm，重复频率≥200Hz，单面阵泵浦平均功率10kW，从激光增益池2的增益介质端面(xz面)泵浦，透射至激光增益介质Yb:YAG陶瓷内，为激光的形成提供增益，输出激光波长1030nm，输出光斑为外方(60mm×60mm)内方(30mm×30mm)的环状空心光斑，单脉冲能量≥20J，重复频率≥200Hz。
[0029] 实施例4
[0030] 本发明的第四种实施方式如图1所示，本发明提供了一种高重频大能量纳秒级脉冲激光器(偏振片透射式电光调Q)，仅有凹面反射镜3和凸面反射镜8部分与实施例1有所不同，其他均相同。所述非稳定谐振腔的放大率M＝3，腔长1500mm，凹面反射镜和凸面反射镜的曲率半径大小分别为4500mm和1500mm；所述激光增益池2内的激光增益介质的通激光口径大于90mm×90mm；输出激光波长1064nm，输出光斑为外方(90mm×90mm)内方(30mm×30mm)的环状空心光斑，单脉冲能量≥20J，重复频率≥200Hz。
[0031] 综上所述，本发明本发明为了填补单一谐振腔振荡方式直接获得高重频大能量脉冲激光器研究的空白，采用浸入式液冷固体激光结合特殊设计的非稳腔结构和大口径主动调Q元件，以单一谐振腔振荡方式直接获得大的单脉冲能量，重复频率大于等于200Hz，并具有好的定标放大性，可满足在工业、科学研究和国防方面的重要应用。
[0032] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
