腔镜变形对平凹稳腔激光振荡模式影响的数值研究

用Ｆｏｘ－Ｌｉ迭代法研究了激光谐振腔镜面变形对激光振荡模式的影响，给出了几种镜面变形条件下的激光谐振腔自再现模，即镜面上光场振幅和位相分布的模拟结果。对平凹稳定腔，为获得严格的基模激光振荡，应将这种镜面变形控制在１／２０波长范围内；若镜面变形超过１／１０波长，则该谐振腔不存在严格的基模自再现模。同时，高功率激光腔镜的边缘冷却方式将造成较大的镜面形状变化，从而影响激光光束质量。     

圆形高斯镜平凹腔腔镜变形时激光模场分析

把圆形高斯镜平凹腔自再现模的衍射积分方程转化为有限阶的矩阵方程,在平面输出镜呈高斯分布的镜面变形时,数值计算了激光场模式的场强、相位分布和模式本征值。结果表明,当变形量较小时,随着变形量的增加,镜面上光场的分布范围增大,也就说明模体积增大,但镜面光场仍保持拉盖尔-高斯光束基模特征,相位由平面慢慢变得凸起,远场分布变化不明显。当变形量较大时,光场分布开始发生畸变。从模式本征值的变化看,在一定的变形范围内,本征值下降不多,说明较小的变形量对激光损耗影响不大,仍能使激光较稳定输出。在圆形高斯镜平凹腔输出镜发生不大的高斯状变形的情况下,仍有维持输出高质量激光束的能力。     

热透镜的球差效应对大基模体积激光谐振腔模式的影响

固体激光器在强抽运的条件下,激光晶体热透镜的球差效应是不容忽视的,尤其是在大基模体积的动态稳定腔中,会影响谐振腔的振荡模式,进而影响腔内损耗和输出功率.通过Fox-Li的衍射迭代算法,分析了谐振腔的自再现模,表明在热透镜球差效应作用下,基模的光强分布出现了旁瓣,并由此带来了光束质量的下降,最后通过实验结果验证了理论分析,指出光束填充因子是激光器设计的一个重要因素,其最佳值需要根据球差效应的强弱,通过实验的方法来确定. 关键词： 热透镜 球差效应 谐振腔模式     

腔内双棒串接的基模动态稳定腔研究

为了获得大功率高亮度的激光光源,设计并实现了一种使用双棒串接的基模动态稳定谐振腔.通过补偿热致双折射效应以及合理地设计腔内参数,在使用闪光灯抽运的条件下获得了61W的基模连续输出.使用等效热透镜的方法分析了谐振腔参数对激光器性能的影响,解释了输出镜和全反镜的距离对激光器性能所起的不同作用. 关键词： 动态稳定腔 双棒 谐振腔模式     

高功率TEA CO_2激光器非稳腔实验研究

为了提高光束质量、压缩光束发散角,利用现有高功率稳定腔TEA CO2激光器进行了非稳谐振腔的技术改造及激光输出试验,非稳谐振腔采用正分支虚共焦型非稳腔方案。为充分研究谐振腔结构参数及激光振荡模体积对输出能量和光束发散角的影响,共设计加工了包含4种放大率、5种模体积的20组非稳腔腔镜组合。在其它参数都相同的试验条件下,进行了非稳腔镜的单脉冲输出对比试验,得到的最大输出能量为14 J,是原平凹稳定腔的70%,而光束发散角只是原平凹稳定腔的1/4。     

扭转模结构双腔双频Nd∶YAG激光器

为了产生频差可调谐1 064nm双频激光输出,设计了一种扭转模结构双腔双频Nd∶YAG激光器,其两个驻波谐振腔共用相同的Nd∶YAG增益介质,以扭转模结构消弱增益空间烧孔效应,使Nd∶YAG激光器的两个驻波腔均以单纵模振荡,从而获得正交线偏振1 064nm双频激光输出.理论分析了扭转模结构激光单纵模选择原理和双频激光同时振荡原理,实验研究了双频激光振荡特性和频差调谐特性.研究结果表明:双频Nd∶YAG激光器的两个谐振腔能够同时以线偏振单纵模稳定振荡输出,其频差大小可随激光腔长的改变而调谐,频差调谐范围可达1个纵模间隔,实验观察到的频差调谐范围为0.3GHz~3GHz.     

外腔反馈对半导体激光器振荡特性的影响

通过有效反射系数的引入，根据激光谐振腔的自再现条件和对腔内光子密度、载流子密度方程的求解，分析了外腔反馈对半导体激光器的阈值增益、振荡频率和输出功率等振荡特性的影响，并通过实验进行了验证.外腔反馈后，半导体激光器的阈值电流从420mA降为370mA，输出功率的斜率效率获得了提高，理论计算的输出功率曲线与实验结果符合的很好. 关键词： 半导体激光器 外腔反馈 振荡特性     

激光光腔内光场空间相干性的演化

基于激光谐振腔的理想开腔模型及其在空间频率域的相干模式理论,通过数值模拟分析了光腔内光场空间相干性的演化规律.以强度均匀的非相干光束为例,考虑了一系列硬边光阑的衍射效应对腔内光场相干性演化的影响,再现了腔内光场空间相干性的演化过程.数值计算结果表明：空间相干性随光场在腔内振荡次数的增加逐渐趋于完全相干,但对不同的光腔参量(如腔镜结构和腔镜面度),空间相干性在腔内的演化规律有很大的区别.     

腔镜形变对圆筒组合型CO_2激光器模式的影响

针对具有锁相结构的圆筒组合型CO2激光器,分析了其注入锁定的原理,利用等价条形腔理论,建立了分析其输出基模的数学模型。利用该模型,研究了不同形变量对圆筒形腔输出基模的影响。结果表明,为了获得与注入光束模式类似的光场分布,复曲面镜与圆筒形谐振腔中平面镜镜面中心的形变量应控制在0.07倍波长以内。同时,分析在不同腔镜参数情况下腔镜形变对输出模式造成的影响,其结果有利于进一步优化谐振腔的参数设计。     

热变形谐振腔的激光模式理论分析

应用微扰理论,对微热变形腔的激光模式进行了理论计算与分析;给出了激光模式之间的耦合以及等效光束发散角与镜面变形量之间的关系.结果表明镜面中心处热变形量越大,模式之间的耦合越强,激光腔模式发生畸变就越严重;当镜面中心处热变形量为0.5λ时,基模TEM0的中心光强将下降50%,其等效光束发散角将增大到镜面无变形时的2倍.     

Thermal optical effect in axisymmetric structural laser resonator

In order to study the thermal optical effect (TOE) resulting from the axisymmetrical sources of thermal energy at the output mirror of CO₂ laser, the Heat Conduction Poisson Equation (HCPE) has been solved in the output mirror. Then the temperature distribution is given. The temperature variations will cause the surface distortion and the phase shift at the output mirror. Therefore, the output laser beam will be subject to thermal optical distortion and phase change. The numerical examples are to confirm our calculated results.     

镜面热变形对空地激光通信链路性能的影响

 低轨卫星在轨运行热环境条件下,不能有效释放热应力的反射镜面将产生热变形,镜面法向偏转可达百μrad量级;经其反射的光束将产生较大的指向偏差,严重影响空地激光通信链路的系统性能。对空地激光通信星上端机目前常用的压板法镜体固定方式进行的分析表明：镜体释放热应力后的法向角度偏差可减小近3个数量级,对由于热变形带来的光束指向偏差能进行很好地抑制,减轻对系统性能的影响。     

Characteristics of thermal distortions of the laser mirror substrates filled with phase-change materials

Under irradiating of the laser power of 2 kW, the thermal deformations of the silicon mirror substrates with phase change materials are experimentally measured and numerically analyzed by using finite element methods, respectively. The experimental results show that when the absorbed laser power is 120 W and the laser irradiating time gets to three seconds, the thermal distortion of the silicon mirror substrates with paraffin/carbon powder is 0.25 μm, that of the paraffin/aluminum powder 0.33 μm, and that of the paraffin/copper powder 0.37 μm. The numerical calculation coincides with the experimental results.     

非均匀激光辐照下硅镜热变形对光束传输特性的影响

 使用有限元法计算了硅镜在DF化学激光器非稳腔输出的中空非均匀激光辐照下镜面温升和反射面面形随时间变化的特性,使用65阶Zernike多项式对镜面面形进行了曲面拟合,使用光线追迹的方法计算了平行光束经不同数量硅镜反射后的光束波前分布PV值、Strehl比和Zernike像差系数随时间变化的特性。计算结果表明：在典型的DF激光器输出的中空方形光束辐照下,硅反射镜的热变形将使反射光束产生波前畸变,波前畸变中,y方向像散项占据主要地位,其次是离焦项;随着激光系统中反射镜面数量的增加,高阶像差系数将逐渐增大,且波前PV值与反射次数成线性关系。     

大功率部分端面抽运混合腔板条激光器

在半导体抽运的全固态激光器中,激光晶体上的热畸变限制了激光器在大功率下输出时保持高光束质量的能力。板条结构的固体激光器具有优异的散热能力,再配合部分端面抽运以及稳一非稳柱面混合腔的使用,使大功率高光束质量的激光输出成为可能。在德国EdgeWave GmbH进行的对这一技术的合作研究中,利用不到100mm的腔长,在Nd：YVO4板条激光器上获得了110W近衍射极限的1．06μm连续激光输出,这时在非稳腔方向上的光束传播因子M^2为1．3。在稳腔方向上为1．5。通过对输出激光进行空间滤波切除腔镜造成的衍射旁瓣后,50W输出时M^2的典型值在非稳腔和稳腔方向上分别为1．09和1．2。     

腔镜热变形对非稳腔光场特性的影响

 研究了高功率气体激光器中谐振腔腔镜热变形效应。采用时间离散化方法,利用虚共焦折叠非稳腔3维物理光学负载模型和ANSYS热效应计算程序,将光腔稳态模式的快变过程与镜面变形的慢变过程耦合起来,研究了真实器件的腔镜变形和光场模式的相互作用;计算给出了16 s热变形下硅镜和石英镜面输出功率的下降程度和远场光束质量的退变程度：在16 s热效应下,硅镜实际光斑半径与理想光斑半径的比值变化小于1.5,而石英镜值变化达到4,可知长时运行下选用硅镜明显优越于选用石英镜。     

Measurement of thermal lensing in a power amplifier of a terawatt Ti:sapphire laser

We have measured detailed thermal lensing in a power amplifier of a terawatt Ti:sapphire laser operating at 50 Hz. The thermal lensing in the amplifier was evaluated by measuring the optical path difference (OPD) using a Shack–Hartmann-type wavefront sensor. It was found that the radial dependence of the OPD was almost quadratic in the pumping region, despite inhomogeneous pumping. Therefore, a simple spherical lens or convex mirror effectively compensates for the thermal lens in our amplifier. We found that the thermal lens profile was temporally stable, and did not degrade the pointing stability of the amplified laser pulses. We also found that the time constant of the thermal distortion in our power amplifier was approximately 0.5 s. Received: 3 September 2001 / Revised version: 23 January 2002 / Published online: 14 March 2002     

基于整形光路的低阶像差校正方法

为满足激光束对远处目标辐照强度的要求,减小热效应对输出光束性能的影响,提出了一种基于整形光路的高能激光低阶像差校正方法。该方法根据波前探测器测到的光束波前畸变,利用激光器整形光路固有的光学元件和调整机构,通过高精密电动平移台和快反镜的快速动作,动态调整各镜片的间距,实时校正激光束的低阶像差,使输出光束恢复至平行出射,从而显著减小激光束的热漂移和热畸变,有效避免了长时间出光时光束的持续发散,极大改善了输出光束性能。试验结果表明,该方法具有校正量大、控制方便、结构紧凑等优点,能够很好地改善激光器输出光束质量,显著提高激光束远场作用效果。     

Investigation on high power phase compensation of strong aberrations via stimulated Brillouin scattering

The strong wave-front aberrations compensated by stimulated Brillouin scattering phase conjugate mirror (SBS-PCM) in a high power laser were investigated experimentally. The wave-front fluctuation of the 10 Hz 500 mJ Nd:YAG laser is 0.5λ. Transmitting through a random phase plate (RPP), it increases to 8.6λ. While using SBS-PCM in place of a high reflection mirror, the distortion induced by the RPP is compensated, and the wave-front fluctuation becomes 0.9λ. At the same time, obvious breakdown phenomena in the SBS cell were observed, and the reflectivity is unstable. A rotating wedge plate is introduced into the phase conjugating mirror to make the focus of the SBS cell rotate and optical breakdown is avoided effectively. The reflectivity becomes stable around about 70% and the instability is changed from ±4.1% to ±0.9%. Besides, the compensated wave-front fluctuation is only 0.6λ, which is near to the original wave-front distribution. The results show that the reflectivity of the SBS-PCM is very high and stable when there are no other nonlinear effects such as optical breakdown. Thus the compensating effects for strong wave-front errors are perfect.     

相变制冷复合镜研究

 提出一种新的复合式腔镜结构,利用硅镜（钼镜）和铜镜的优点,避免它们的缺点,可以有效地减小热畸变。对钼、铜复合镜作了与硅镜的对比实验。实验结果表明钼、铜复合镜的热畸变比硅镜的约小一半。