高功率固体激光振荡器与放大器光束质量控制技术研究

摘要

本论文的主要内容分为四个部分:端面泵浦固体激光器的热效应研究;端面泵浦固体激光振荡器中的光束质量演变以及球差对谐振腔的影响;端面泵浦固体激光放大器中的光束质量改善技术研究;侧面泵浦固体激光器及其非线性频率变换研究。
　　光束质量是激光器的一项重要参数。激光光束质量控制及改善技术的研究一直是高功率激光器研究中的一项重要内容。影响激光光束质量的主要因素是激光晶体的热效应和增益效应。本论文通过研究激光晶体的热效应和增益效应来研究激光光束质量的控制及改善技术。
　　首先研究了端面泵浦固体激光器的热效应。从稳态热传导方程与边界条件出发，分别采用解析方法和有限差分法计算了端面泵浦激光晶体的温度分布，进而通过计算晶体内的光程差分布来研究晶体的热透镜效应和热致畸变效应。研究了球差对热透镜焦距的影响，指出同一晶体对不同光斑半径激光的等效热透镜焦距是不一样的。将薄片上的光程差分布按Zernike多项式展开，指出球差是主要的畸变，可以用球差系数表征畸变的大小。提出了一种利用探测光的夫琅禾费衍射图样测量热透镜焦距的新方法，可在激光运行时测量热透镜焦距。实验测量了端面泵浦晶体的热透镜焦距，实验测量值与非稳腔法实验测量值符合得较好。
　　在研究热效应的基础上，建立了端面泵浦激光振荡器的理论模型，理论模型中同时考虑了激光晶体的热效应以及增益效应，将谐振腔沿激光传播方向展开，采用分步傅立叶法仿真激光在谐振腔中振荡时的自再现模。仿真计算并实验验证了激光振荡器输出镜和全反镜端的激光光束质量是不一样的，激光从全反镜传播到输出镜时，激光光束质量被改善。提出了当激光通过晶体时，激光自身的负球差可以被晶体的正球差补偿这一光束质量改善机理。同时指出带正球差的会聚激光光束经过传播后，其球差由正球差演变为负球差，解释了激光谐振腔内激光波前负球差的由来。研究了激光晶体球差对谐振腔稳定区的影响，指出球差可导致谐振腔基模和高阶模稳定区的分离，从而可以选择合适的工作点，只有基模可以振荡，而其他高阶模由于高损耗不能振荡，实现了基模振荡输出。采用简单平平腔结构，在泵浦功率为104W时，实现了51.2W高功率基模输出，测得的激光光束质量M2为1.2。
　　激光放大器是实现高功率激光输出的重要途径，通常情况下，由于热致畸变效应的存在，放大过程中激光光束质量会持续恶化，放大后的激光光束质量远差于激光振荡器输出的激光光束质量。通过建立端面泵浦激光放大器的理论模型，研究了端面泵浦固体激光放大器中的激光光束质量控制及改善技术。指出在放大过程中，影响放大后激光光束质量的主要因素是信号光的球差。如果信号光的球差是负球差，那么信号光通过放大晶体之后，负球差可以被激光晶体的正球差补偿，从而改善激光光束质量。在单端泵浦放大实验中，实验上实现了光束质量改善。信号光光束质量因子M2为2.2，放大光光束质量因子M2改善为1.4。在双端泵浦单级MOPA实验中，同样实现了光束质量改善，光束质量因子M2从2.71改善为1.67。实验结果和理论仿真结果符合得很好。
　　最后研究了侧面泵浦固体激光器及非线性频率变换。研究了热致双折射效应，指出自然双折射晶体不需要考虑热致双折射效应，而光学各向同性晶体必需考虑热致双折射效应。用Nd∶YAG双棒串接结构补偿热致双折射效应，同时采用基模动态稳定腔设计，实现了35W基模1064nm激光输出。分别采用腔外四倍频、三倍频的方法实现了1.85 W266 nm和11 W355 nm紫外激光输出。同时研究了BBO非线性晶体中的自热效应。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 高光束质量固体激光器发展概况

1．2．1 高光束质量激光振荡器

1．2．2 高光束质量MOPA激光器

1．3 光束质量控制技术发展概况

1．3．1 直接泵浦技术

1．3．2 相位共轭镜技术

1．3．3 可变形镜技术

1．3．4 复合效应技术

1．4 论文主要内容及研究成果

1．4．1 论文主要内容

1．4．2 研究成果

第二章 端面泵浦固体激光增益介质的热效应

2．1 引言

2．2 晶体温度场计算

2．2．1 解析方法

2．2．2 有限差分法

2．2．3 单端泵浦计算结果

2．2．4 双端泵浦计算结果

2．3 晶体热透镜效应

2．3．1 热连镜焦距的计算

2．3．2 热透镜焦距的实验测量

2．4 晶体热致畸变效应

2．4．1 热致畸变计算

2．4．2 球差对热透镜焦距的影响

2．5 本章小结

第三章 端面泵浦固体激光振荡器

3．1 引言

3．2 理论模型

3．2．1 谐振腔的展开模型

3．2．2 增益介质中的波动方程

3．2．3 波动方程的分步傅立叶法求解

3．3 激光振荡器模型的参数

3．4 谐振腔内光束的演变

3．4．1 迭代过程中光束的演变

3．4．2 自再现后传播过程中光束的演变

3．4．3 机理分析

3．5 传播过程中激光波前球差系数的演变

3．6 激光晶体球差对谐振腔稳定区的影响

3．7 实验研究

3．7．1 激光光束质量因子M2的测量

3．7．2 激光晶体球差改善激光光束质量的实验研究

3．7．3 大功率双端泵浦Nd：YVO4激光振荡器实验研究

3．8 本章小结

第四章 端面泵浦固体激光放大器

4．1 引言

4．2 理论模型

4．3 构造信号光研究激光放大器

4．4 MOPA仿真

4．4．1 单级MOPA

4．4．2 多级MOPA

4．5 实验研究

4．5．1 单端泵浦放大实验

4．5．2 双端泵浦放大实验

4．5．3 激光晶体球差改善激光光束质量的实验研究

4．6 本章小结

第五章 侧面泵浦固体激光器及非线性频率变换

5．1 引言

5．2 侧面泵浦激光振荡器

5．2．1 侧面泵浦激光器中的热效应

5．2．2 热致双折射效应的补偿

5．2．3 基模动态稳定腔的设计

5．2．4 实验结果

5．3 非线性频率变化

5．3．1 266 nm紫外激光实验

5．3．2 355 nm紫外激光实验

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 论文创新点

6．3 工作展望

参考文献

博士在读期间发表的论文及参加的研究项目