高能固体激光中的耦合动力学

摘要

本报告以大口径谐振腔式Nd:YAG激光器为例，说明如何由简至繁地实现激光动力学、温度场、激光模式产生/放大/传输、放大的自发辐射(ASE)/寄生振荡、腔内自适应光学的耦合建模过程。通过系统地物理研究，指出激光场和温度场通过浓度淬灭和双热平衡态机理出现彼此耦合;ASE/寄生振荡在谐振腔内存在耦合成长和竞争过程，并通过光热耦合机制以及各种抑制方法出现与温度场的彼此耦合;腔内自适应光学因为影响到激光模式特征，进而与温度场、ASE/寄生振荡彼此耦合。注意到不同物理过程具有不同的空间或时间尺度，因此可以在特定物理尺度下对复杂的耦合方程实现部份解耦从而使得模型得以求解。对于ASE/寄生振荡/主激光耦合成长这类极为复杂的过程，发展了一些新的计算方法来求解模型。通过耦合动力学的数理建模和数值求解，认识到激光强度的不均匀性可以产生严重的额外像差;不恰当的ASE/寄生振荡抑制措施也会产生严重的热致像差并大幅度增加了热应力;这些像差影响到激光的提取效率，而且结合到谐振腔结构参数，对内腔AO的校正能力提出额外要求。此外，还认识到ASE/寄生振荡和主激光耦合竞争成长过程中，前者对后者的驰豫振荡表现出阻尼性质，并通过此机理损耗增益介质中的储能并提升了谐振腔的起振阈值;进一步得到了谐振腔式固体激光设计应该遵循的ASE判据。