改善输出光束质量的环形凹面镜激光谐振腔的研究

武汉光电国家实验室工业激光器研究团队一直致力于高功率高光束质量激光器的研究,在新型谐振腔的研究中,获得授权发明专利3项,申请发明专利2项。该团队提出了一种新型激光谐振腔,即环形凹面镜激光谐振腔,该谐振腔由一个环形凹面反射镜和一个平面输出镜组成。理论模拟表明,菲涅尔系数为8．05的环形凹面镜激光谐振腔的输出光束M2因子接近于菲涅尔系数为2．01的平凹稳定腔的输出光束肝因子,环形凹面镜激光谐振腔的模体积为平凹稳定腔模体积的4倍。利用该谐振腔在高功率横流CO。激光器进行了试验研究,输出光束为等相位面的环形光斑,即近场为环形分布,远场（聚焦处）为中央亮斑分布。相同光阑尺寸的平凹稳定腔和环形凹面腔对比研究表明,在激光功率没有明显降低的情况下,输出光束的肝因子由平凹稳定腔的7．5提高了1．9。环形分布光束可以降低谐振腔镜片和外光路镜片的热畸变,对于高功率激光器的工业应用非常有意义。这种谐振腔结构简单,进一步解决其失调稳定性问题,将有助于该类谐振腔在多种工业激光器中获得应用。     

高功率激光器抗失调谐振腔的实验研究

为简化高功率激光器谐振腔结构,提高激光谐振腔的稳定性,增加基模体积,改善光束质量,提出了两种新型激光谐振腔结构,分别是带角隅反射镜的激光谐振腔和直角内圆锥面反射镜激光谐振腔。使用高功率脉冲CO2激光器,研究了这两种激光谐振腔的输出特性和腔镜失调的关系,并结合平凹稳定腔,对三种激光谐振腔的抗失调稳定性进行了对比。实验结果表明,随着全反镜或平面输出镜失调角的增加,角隅腔激光器的单脉冲输出能量下降速度小于直角内圆锥面全反镜腔。两种新型谐振腔全反镜的抗失调稳定性都超过平面输出镜。角隅全反镜谐振腔和直角内圆锥面全反镜谐振腔的抗失调稳定性均大大超过平凹稳定腔。     

具有均匀相位耦合输出镜非稳腔的模场分析

 利用Prony[1]方法计算均匀相位输出耦合镜非稳腔的输出模场分布及远场方向性,分析了模式分辨率和光束远场发散角与系统各参数之间的关系, 理论计算得到的结果表明,可以在小放大倍率（M=1.3）情况下得到质量达到衍射极限的输出光束,与传统非稳腔比较,这种新型的谐振腔在改善氧碘化学激光器光束质量方面有一定的应用前景。     

大功率TEA CO2激光器非稳腔的设计与实验

相比于传统稳腔高功率TEA CO2激光器,如何在不降低功率的基础上,改善其光束质量一直研究者关心的问题。本文在原有稳腔激光器的基础上,设计了三组望远镜虚共焦腔镜,给出了完整的设计过程并进行了理论分析。同时对不同组的非稳腔激光器进行了对比实验研究,结果表明非稳腔能够在保证高单脉冲能量的基础上极大地改善激光远场发散角,其中最佳腔镜组合能够达到单脉冲能量13.7J,其发散角为1mrad（稳腔为2.4mrad）,激光脉宽50ns（稳腔为98ns）。这就为此种类型激光器应用于激光制造领域奠定了基础。     

输出环状光束的新型激光谐振腔

提出一种输出环状光束的新型激光谐振腔,即在稳定激光谐振腔中采用外环耦合方式得到环状光束的输出。利用For-Li数值迭代算法求解此类激光谐振腔的积分方程,通过计算机编程计算了平面一凹球面稳定谐振腔的输出端平面镜在不同半径的情况下,谐振腔镜面上和衍射耦合输出场基模的振幅和相位分布。计算结果预示了当输出端平面镜半径小于通常的稳定腔的基模半径时,衍射耦合输出场有稳定的环状光束输出。实验中TEA CO2激光器采用印刷电路板预电离结构,增益长度90cm,腔长5m,球面全反射镜曲率半径20m,输出端平面镜半径4．5mm,得到了内环半径为4．5mm、外环半径为5．5mm的基模环形光斑输出。从而在理论上和实验上证实了该方案产生环状光束的可行性。     

高光束质量高斯非稳腔固体激光器研究

为了获得高光束质量的脉冲固体激光输出,研究了高斯非稳腔固体激光器的模式分布。运用边界有限元法将谐振腔内光场衍射积分方程转化成矩阵方程组,模拟分析了平凸高斯非稳腔内光阑位置、孔径大小以及高斯镜参数对输出光束模式的影响。基于理论模拟结果对激光器结构参数进行了优化,分别测量了腔内不同光阑位置和孔径下的激光器输出光束振幅及模式分布情况。在光阑半径为1 mm、光阑距高斯镜为150 mm、泵浦电压为900 V的实验条件下,光束质量M_x~2=1. 9、M_y~2=2. 3,激光最大输出能量为280 mJ的高光束质量激光输出。实验结果表明,在腔内加入选模光阑以及优化高斯镜参数可以进一步改善腔内模式分布,获得高光束质量激光输出,这与理论模拟结果基本相符。     

内腔式虚共焦非稳腔光参量振荡器激光器的光束质量检测

基于内腔式虚共焦非稳腔的理论优化结果和理论远场发散角4.05 mrad,对光参量振荡器（OPO）激光器的光束质量进行了检测实验,输出激光能量可达70.6 mJ/脉冲,远场发散角最小达5 mrad;分析了影响OPO光束质量的可能因素,验证了经过优化设计的OPO激光器能够获得高光束质量的1.57 m激光。     

激光谐振腔设计软件的算法研究与计算机实现

为使激光工作者可以方便地进行谐振腔诸如热透镜、容差等参量的优化分析与设计,研究了激光谐振腔设计软件的算法并在计算机上得到实现.使用ABCD矩阵方法分析激光光束的传输与变换.为使分析和设计更具有一般性和通用性便于计算机编程,考虑矩阵元素均为复数的情况,同时将光束质量因子M2和介质中的光束传输考虑在激光谐振腔模的传输变换当中,这样当矩阵元素虚部都为零,而M2=1和介质折射率为1时,就可以过渡到通常的基模高斯光束在空气中经实元件矩阵传输变换.并以此为基础使用VB在国内成功开发出具有稳定驻波腔、稳定行波腔、非稳驻波腔、非稳行波腔、相位共轭腔、光束传输变换等多种功能的可视化谐振腔软件.     

基于中红外光参量振荡器光束质量优化的90°像旋转四镜非平面环形谐振腔型设计与分析

为改善中红外光参量振荡器(OPO)激光输出光束质量,设计了一种90°像旋转四镜非平面环形腔型结构.通过建立单位球等效计算方法,对此种特殊腔型结构存在的像旋转角进行计算,并由此确定了适用于中红外OPO运行的90°像旋转谐振腔结构相关参数.在此基础上进一步建立了非对称轴环形腔中光场模式自再现模型,分析得出随着像旋转角由0°向90°变化,谐振腔内光场模式逐渐均匀化,当旋转角为90°时,基模以及高阶模都表现出非常好的中心对称性.基于此采用中红外ZnGeP_2 OPO对所设计的腔型参数进行实验测量,实现了光束质量M_X~2=1.81和M_Y~2=1.61.由此可以证明所设计的90°像旋转四镜非平面环形腔对中红外OPO激光系统的输出光束质量的优化有显著效果.     

InnoSlab混合腔输出光束质量的理论研究

对InnoSlab Laser用混合腔的输出光束质量问题从热透镜效应和腔镜的不对准两个方面的影响进行理论分析,并从远场光强分布、远场发散角、光腰半径、光束质量因子M²值和桶中功率曲线等几个角度进行了讨论,特别是离轴非稳腔方向上腔镜倾斜对光束质量的影响,利用M²值和PIB曲线两个参数共同评价非稳腔的光束质量,对目前并无统一标准的非稳腔光束质量评价问题提供了有意义的参考. 关键词： InnoSlab 混合腔 光束质量 桶中功率     

由变反镜耦合输出的卡塞格林非稳腔激光技术研究

讨论了变反镜参数和由变反镜耦合输出的卡塞格林非稳腔参数的相互关系以及它们对激光光束特性的影响。在此理论基础上，设计了Ｎｄ：ＹＡＧＱ形状高功率高光束质量的激光系统，获得了脉冲能量为１．４ＪＥＭ００模，脉宽１０ｎｓ，重复频率１０ｐｐｓ，束散度达到衍射极限的１．１倍，其倍频效率及混频效率分别为６０％和３０％。     

Performance of a 80 W copper vapor laser with “alignment free” unstable CAT-EYE resonator and other configurations using intra-cavity apertures

Performance of a kinetically enhanced copper vapor laser (KE-CVL) with various stable/unstable “alignment free” CAT-EYE resonator configurations are presented here in this paper. The laser used in the experiment was a 45 mm bore (∼2 l discharge volume) kinetically enhanced copper vapor laser developed in our laboratory and capable of generating maximum power of ∼80 W (at ∼9.8 kHz). The efficiency of the laser was ∼1.4% and beam divergence of ∼3.5 mrad in a plane-plane standard multimode cavity. For the first time performance of unstable CAT-EYE resonator is demonstrated with a CVL/KE-CVL. On using unstable CAT-EYE resonator the divergence of the laser beam reduced to ∼0.22 mrad (∼20-fold reduction as compared to conventional plane-plane cavity), ∼40 W output power and with excellent misalignment tolerance. The laser output power was found to be within ∼5% drift/decline with misalignment angle of about 4 mrad between the mirrors. This is a significant improvement in comparison to standard conventional unstable resonator (M ∼ 50) CVL where ∼0.5 mrad divergence is achieved with power drift/decline of about 45% at ∼4 mrad misalignment angle.Off-axis unstable CAT-EYE unstable resonator was also demonstrated for the first time with further reduction in beam divergence to ∼0.13 mrad and with output power of ∼28 W. The misalignment tolerance was found to be highest in case of off-axis unstable CAT-EYE resonator with decline/drift in laser power of only ∼10% for misalignment angle as high as ∼8 mrad. Performance with intra-cavity apertures in plane-plane type CAT-EYE resonator for transverse mode control is also presented for the first time in CVLs. It is observed that the laser beam divergence reduces significantly to 1.25 mrad (a factor of 2) on using an aperture of ∼3.5 mm at the CAT-EYE reflector as compared to its normal (R = F = d) configuration without aperture. In case of stable CAT-EYE resonator the average beam divergence reduces from 8 mrad to 4 mrad (factor of 2) on using intra-cavity aperture of about 3 mm. It was also observed that high misalignment tolerance was retained on using intra-cavity apertures in almost all the CAT-EYE resonators. Use of intra-cavity mesh was also demonstrated for the first time with stable CAT-EYE resonator for improving the beam focus-ability. Average beam divergence was reduced by a factor of 2.5 (from 8 mrad to 3 mrad) on using intra-cavity mesh. These new configurations in CAT-EYE resonators in KE-CVLs are found to be effective in improving and controlling the laser beam divergence significantly with additional characteristic of high misalignment tolerance.     

变反射率镜非稳腔优化研究—超高斯途径

分析了超高斯变反射率镜非稳腔的腔模和输出特性。以最高输出光束亮度为目标就其腔参数进行了优化研究和设计。在２０ｍｍ口径钕玻璃激光介质上采用这种腔结构进行了实验研究，获得了数十焦耳近衍射极限的高亮度激光输出。     

固体激光器的稳模式热稳条件分析

对传统的稳模式热稳条件进行了推广，使之也可适用于非球面驻波稳定腔的其它谐振腔，如环形腔等；引入了稳模式弱热稳条件的概念，进而提出了一种折衷的优化设计方法——使谐振腔同时满足稳功率热稳条件和稳模式弱热稳条件，从而使得激光器的输出既稳功率又具有一定的模式热稳定性，如发散角的热稳定性；此外，还给出了球面驻波稳定腔、球面环形稳定腔的稳模式强、弱热稳条件的解析解     

电子束泵浦百焦耳级准分子激光实验研究

利用“闪光二号”相对论电子束加速器研制了百焦耳级ＸｅＣｌ和ＫｒＦ准分子激光器，激光器激活体积２４ｌ，输出口径２０×２０ｃｍ２，泵浦功率密度１．５～２．０ＭＷ／ｃｍ３。ＸｅＣｌ激光器最大能量１３６Ｊ，波长３０８ｎｍ，脉宽５０～１００ｎｓ，峰值功率１．５ＧＷ，采用虚共焦非稳腔技术，束散角达１．３ｍｒａｄ；ＫｒＦ激光最大能量１５７Ｊ，波长２４８ｎｍ，脉宽８０～１００ｎｓ，峰值功率２ＧＷ。     

Study on transient mode formation of copper vapor laser with a modified off－axis unstable resonator

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｍｏｄｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｖａｐｏｒ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｏｆ ｆ－ａｘｉｓ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ￥ＨＵＡＲｅｎｚｈｏｎｇ；ＬＩＡＮＧＰｅｉｈｕｉ；...     

一种适用于脉冲Nd^3＋：YAG激光器的新型横模控制谐振腔

本文报道了一种新型横模控制谐振腔——圆形空心波导谐振腔。实验表明这种新型横模控制诣振腔与腔内加小孔光阑的横模控制谐振腔相比,有基模TEM_∞输出效率明显增高和远场发散角大大减小等优点,文中对其限横模机理进行了分析和讨论。