三模共振光学参变振荡腔中热效应与热自锁定的实验研究

通过在压电陶瓷上加不同扫描速度的三角波电压,对光学参变振荡腔进行腔长扫描,发现内腔非线性晶体的热效应会严重影响共振峰值功率,从而可能用以建立光学参变振荡腔频率的热自锁定,对热效应进行了细致的实验观察并对实验现象作了合理的分析。     

激光二极管端面抽运Nd:YVO4板条激光器及其热效应

激光器中激光介质采用板条状几何结构可以极大地降低它的热效应,但仍然需要进一步分析其影响,进而优化激光器效率.利用有限元分析方法分析了部分端面抽运的混合腔板条激光器中激光介质的热效应,计算的热透镜焦距与实测结果基本相符.分析了热效应对模式匹配的影响,分析结果对于优化激光器效率、改进谐振腔设计具有一定的参考价值.并在分析的基础上进行了混合腔实验,抽运功率为110 W时,获得连续输出激光功率41.5 W,光光转换效率约38%,斜效率达58.8%,M2因子为非稳腔方向M2x＝1.59,稳定腔方向M2y＝1.55.     

两腔级联纠缠增强的理论分析

高纠缠度的纠缠源是实现高保真度量子信息传输与处理的保障,因为受到光学元器件自身性能不完美的限制,通过有效的操控手段来提高光场的纠缠度是十分必要的.连续变量Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场可以利用工作在阈值以下的非简并光学参量放大器来获得.将两个非简并光学参量放大器级联,可以利用第二个光学腔来操控第一个光学腔输出的纠缠态光场,在一定条件下实现光场的纠缠增强.本文通过理论分析设计出两种光学腔级联的实验系统,其中,纠缠产生装置采用具有三共振结构的半整块驻波腔,输出到目前为止世界上单腔获得两组份纠缠态光场纠缠度的最高值,操控光学腔采用驻波腔或四镜环形腔的结构.详细对比分析了不同结构的操控腔对纠缠增强效果的影响,得出利用不同腔形作为操控腔的最佳实验方案.同时分析了级联腔输出光场的纠缠度随不同物理参量的变化关系,得出进一步优化的最佳实验系统参量,为实验获得更高纠缠度的纠缠态光场提供了依据.     

激光合束光学系统气体热效应影响分析

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。     

准共振吸收染料介质的瞬态纯光学双稳性研究

以波长为5320?之脉冲激光激励置于F-P干涉仪腔内的BDN染料溶液,观察到明显的纯光学型瞬态光学双稳性效应。研究了引起该类准共振吸收介质折射率变化的各种可能物理机制的相对贡献大小;确定了在入射激光脉冲作用期间,染料介质折射率增量随时间的变化近似取半立方抛物线形式,并确认光-热效应对折射率变化的贡献在本实验条件下是最主要的。 关键词：     

高功率高重频U型腔激光器的仿真与实验研究

 为了得到结构紧凑的高功率、高重复频率固体激光器,设计了“U”型光学谐振腔,并利用LAS-CAD软件分析了激光晶体的热效应和激光输出特性。根据仿真结果进行了具体实验,最终得到了腔长400 mm的紧凑型固体激光器。在重复频率为100 kHz,泵浦功率为60 W时,输出功率达到21.6 W,光-光转换效率为36%,斜率效率为39.9%。     

光学腔的共振线型

光学腔借助其特殊的共振线型,成为激光、精密检测、光传感、光开关等技术中尤为重要的光波器件。对已报道的光学腔中几种不同共振线型(洛伦兹型尖峰、洛伦兹型凹谷、不对称Fano型等)进行评述,并分析形成机制。最后,以硅基微环腔为例,提出调控这些共振线型的方法和相关器件结构。     

稳定和非稳定激光谐振腔中的自再现模讨论

本文通过菲涅耳-基尔霍夫衍射积分方法,推导了一般稳定和非稳定球面镜谐振腔中自再现模的解析表达式,揭示了从稳定腔变为非稳腔过程中自再现模的变化规律.进一步地,本文在几何光学近似条件下得到了非稳腔的自再现模,通过与衍射积分结果对比,发现基于几何光学近似得到的非稳腔最低阶偶对称模(即基模)和最低阶奇对称模的空间分布与衍射积分结果一致.而对于更高阶的自再现模,当非稳腔接近稳定腔时,几何光学近似得到的自再现模空间分布和衍射积分结果之间存在较大差异.本文的结果可以作为激光原理教学内容的重要补充.     

热效应对克尔自锁模激光腔的影响

讨论了克尔透镜锁模激光腔中热效应对锁模的影响，用数值解法给出了存在热效应时腔中光斑半径随归一化功率的变化曲线。同时给出了存在热效应时光斑半径对归一化功率的相对敏感度参数。     

高功率准连续波腔内和频全固态黄光激光器

报道了高功率准连续波腔内和频全固态黄光激光器的研究结果.为获得高功率的黄光输出,首先,激光器采用准连续方式运转,在保持抽运水平的条件下降低热效应,从而提高光束质量和光光转换效率;第二,采用热近非稳腔腔型设计,双棒串接补偿热致双折射技术,获得大基模体积高光束质量的基频光;第三,通过优化腔型,采用L型共折叠臂平-凹对称腔,使两束基频光达到空间重合且满足功率配比.通过这些方法,得到了输出功率7.6W,重复频率1.1kHz的准连续波黄光输出.据我们所知,这是目前腔内和频方案所获得的最高功率全固态黄光输出. 关键词： 黄光激光 腔内和频 Nd：YAG激光 全固态激光器     

Eigenvector method for unstable resonator simulations

Eigenvector method is a numerical method for laser resonator with which all the eigenmodes and eigenvalues can be solved at the same time. This method is extended for unstable resonators combined with the Collins formula and the ABCD ray matrix in this paper. The mode behavior in a resonator with arbitrary irregular structures can be studied exactly and conveniently. An asymmetrical practical unstable resonator and a non-confocal practical unstable resonator are numerically simulated under varying structure parameters, and some new characteristics are found.     

腔内像散扰动对正支共焦腔模式影响的数值分析

 针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的输出光束质量和光束能量下降问题,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,并采用数值迭代法计算了理想情形和腔内像散扰动对无源正支共焦腔输出模式强度和相位分布的影响,进一步采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合,得到了前35阶Zernike像差系数、点扩散函数(PSF)分布和环围能量曲线,计算了腔内像散扰动量与远场Strehl比的关系。结果表明：对小菲涅耳数正支共焦腔,腔内像散扰动对输出光束强度和相位分布均有明显影响,相位分布中一些高阶Zernike像差也有所增大。因此在进行腔内像差校正时,应优先考虑此类像差的校正。     

基于H-S波前传感器的正支共焦腔调腔方法的研究

采用H-S波前传感器对于非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准。进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zernike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到远场分布和环围能量曲线等。从而可以全面了解输出光束质量,并能有针对性地对光腔进行调整,从而达到较理想的光腔调整共轴状态。     

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。     

强激光腔镜温升对腔几何参数和远场光强的影响

 利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法。以单晶硅为例，计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响，并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布。计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段，温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内，在整个镜面上远未拉平，由此引起的厚度方向温升分布也是如此，很不均匀。     

Estimation of output beam characteristics of laser with unstable resonator and turbulent active medium

In this paper we present calculations of the three-dimensional mode structure and output beam characteristics of unstable resonator with turbulent active medium. The calculations of the output beam are carried out in the Fresnel approximation using the well-known iterative method [1]. The active medium is modeled as a series of phase screens with Kolmogorov statistics. The dependence of output radiation parameters of the gas flow laser with unstable resonator on the strength of turbulence in active medium and parameters of resonator is under consideration.     

High energy and high stability Cr:YAG passively Q-switched laser with convex-ARR unstable resonator

A convex-ARR (Anti-resonant Ring) unstable resonator was introduced in a Cr⁴⁺:YAG passively Q-switched Nd:YAG pulsed laser. There are two novel features in this cavity, one is the unstable resonator increasing output energy and improving laser mode; the other is the ARR structure efficiently enhancing the laser stability. A high energy and high stability Q-switched pulse with a single pulse energy of 85.6 mJ, a pulse width of 38 ns and an energy stability of 99.6% was obtained. The experimental results were analyzed well by using the mechanism of transient grating and the properties of the unstable resonator.     

An unstable confocal resonator with unitized output coupling

The structure and the output characteristics of an unstable confocal resonator with unitized output coupling were studied in detail. The output power, the electrical-photo conversion efficiency and far-field intensity distribution of high-power transverse flow cw CO₂ laser with unitized output coupling unstable resonator (the geometrical magnification parameter M is equal to 1.5) have been measured. The output power is larger than 1.8 kW; the electrical-photo conversion efficiency is as high as 14% and the far-field divergency (total angle) is about 2 mrad. Control experiments show that under otherwise equal conditions the output power and the efficiency of an unstable resonator with scraper plate coupling are 1.2 kW and 9.2%, respectively.     

Quasi-stadium laser diodes with an unstable resonator condition

We have observed lasing in a complicated eigenmode of a quasi-stadium laser diode with an unstable resonator consisting of two curved end mirrors obeying an unstable resonator condition and two straight sidewall mirrors. The laser was fabricated by application of a reactive-ion-etching technique to a molecular beam epitaxy-grown graded-index separate-confinement heterostructure single-quantum-well GaAs/AlGaAs structure. The far-field pattern shows that the lasing mode corresponds to the complicated lowest-loss mode obtained numerically by an extended Fox-Li method.     

角锥棱镜腔激光二极管抽运被动调Q激光器

为了提高传导冷却条件下激光二极管(LD)侧向抽运被动调Q激光器的光束质量和输出稳定性,采用了两组半圆柱面激光二极管阵列侧向交错抽运两根串接的激光棒,实现了均匀抽运和散热。通过实验分析了横模结构对被动调Q稳定性的影响,设计了角锥棱镜-高斯输出镜非稳腔,在显著提高器件光束质量的同时,明显改善了被动调Q的稳定性,并保证了谐振腔的机械稳定性。在此基础上研制了一台重复频率20 Hz、单脉冲能量64 mJ、脉冲宽度7 ns、稳定性优于±5%、光束发散角0.6 mrad、光-光效率9.1%,且光轴指向稳定的工程实用器件。