高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响

利用有限元分析法结合Fox-Li迭代法,考虑腔内本征模式与腔镜热形变的相互耦合作用,计算模拟了正支共焦非稳腔的本征模式分布,定量分析了高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响,重点讨论了腔镜热变形所引起的腔内本征模式相位特性的变化,并从波前功率谱密度、Zernike像差系数及光束质量值等角度对腔镜发生热形变前后的激光器输出光束的光束特性进行比较分析。研究结果表明：高功率激光器腔镜热形变对输出光束的光束质量会产生一定的影响,且随着激光输出功率的增大,镜面热形变引起的输出光束波前相位高频比例及Zernike高阶像差均会有所增大,波前畸变程度也明显变大,光束质量逐渐变差。     

激光器腔的失调与光束质量

本文第一部分介绍了实际激光器由于腔镜失调引起的光束质量下降:空间强度分布不对称与谱线加宽等实验结果;第二部分给出了失调腔的横向本征模所满足的积分方程,并对实验结果给予讨论.     

基于变形镜本征模式和远场测量的光束净化

利用波前传感器对光束进行净化的自适应光学系统是目前提高光束质量的常用技术,但在实际应用中,该技术需要波前传感器,系统复杂,体积庞大,同时需要较高性能信标源。为解决上述问题,提出了一种基于变形镜本征模式和远场光斑特征分析的无波前自适应光学系统,用于校正激光器输出的方形光束。将变形镜影响函数进行本征模式分解,并用远场光斑的均方半径作为评价函数,建立了畸变波前的模式系数与评价函数之间的关系,通过测量评价函数获得模式系数用于求解校正电压,实现波前共轭校正。仿真校正和实验验证结果表明,该方法可以有效实现静态像差校正,提高远场光斑的能量集中度。     

激光器腔镜夹持方式对热变形的影响

分析了当前大功率激光器腔镜采用的几种夹持方式特点,采用有限元软件计算了腔镜不同夹持方式下的镜面热变形和镜体最大应力,并对两种夹持方式下的应力破坏进行了分析。发现夹持方式对大功率激光器腔镜镜面变形影响很大,镜体边界沿径向固定的压圈法效果优于沿轴向固定的弹性压板法。     

激光器腔镜夹持方式对热变形的影响

 分析了当前大功率激光器腔镜采用的几种夹持方式特点，采用有限元软件计算了腔镜不同夹持方式下的镜面热变形和镜体最大应力，并对两种夹持方式下的应力破坏进行了分析。发现夹持方式对大功率激光器腔镜镜面变形影响很大，镜体边界沿径向固定的压圈法效果优于沿轴向固定的弹性压板法。     

腔内倾斜扰动对正支共焦腔本征模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题,分析了正支共焦腔腔内不同位置倾斜扰动对本征模式的影响,采用数值迭代法计算了理想状态及腔内不同位置倾斜扰动状态下的本征模式、相位Zernike像差拟合系数.结果表明：对大小给定的扰动,相位相对敏感性从凸面镜到凹面镜逐渐增加,且腔模倾斜像差增大的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大,因此作腔内补偿时,应使补偿平面尽可能靠近凹面镜.     

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     

腔镜失调与面型误差对光束质量影响研究

 在准确测量腔镜面形加工精度的基础上，通过光学模拟软件ZEMAX实现了氧碘化学激光器折叠虚共焦非稳腔的光学建模，利用光腔模型进行了腔镜面形误差对光束质量影响的研究以及腔镜失调对光束波前影响的分析，在空腔的情况下利用调腔He-Ne激光进行了光束质量测量实验。实测结果与建模数据基本符合，验证了该方法的可行性。     

腔镜失调与面型误差对光束质量影响研究

在准确测量腔镜面形加工精度的基础上,通过光学模拟软件ZEMAX实现了氧碘化学激光器折叠虚共焦非稳腔的光学建模,利用光腔模型进行了腔镜面形误差对光束质量影响的研究以及腔镜失调对光束波前影响的分析,在空腔的情况下利用调腔He-Ne激光进行了光束质量测量实验。实测结果与建模数据基本符合,验证了该方法的可行性。     

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。     

高平均功率固体激光功率和光束质量关系研究进展

 固体激光的一个重大发展方向和目标是实现“三高”(高平均功率、高光束质量和高效率)激光同时输出,结合相关研究工作和进展,着重论述了固体激光输出功率和光束质量的关系,给出了功率升高、光束质量非线性下降是当前“三高”固体激光研究的一个基本科学技术问题。围绕这一基本问题,评述了一些重要技术途径和手段,并探讨了实现高平均功率高光束质量固体激光输出的可能有效途径。     

高光束质量、高功率稳定性激光器的设计及实验研究

高光束质量、高功率稳定性激光器在激光加工、激光测量等领域具有广泛的用途.为了实现激光器腔内光斑聚焦同时减少色散和体积,人们常常将曲面反射镜用在激光谐振腔中,但光束倾斜入射到曲面反射镜往往会引起像散,从而导致光斑质量恶化,并降低激光器的性能.另一方面,在高功率激光器或超短脉冲激光器中,激光增益介质热透镜焦距的起伏,是导致激光输出功率波动的主要原因之一.针对激光器的像散和功率波动这两个问题,本文提出了一套简单高效的解决方案,在考虑像散补偿和热透镜效应的基础上,基于传播变换圆理论,首次提出一种可实现高光束质量、高功率稳定性激光器谐振腔的设计方法,并对采用该方法所设计出的超短脉冲激光器进行理论与实验研究.研究结果表明,利用该方法设计的激光谐振腔,两端臂像散能够完全被补偿,实验上实现了基模高斯光束输出;当激光晶体热透镜焦距改变时,该方法所设计出的激光谐振腔内各关键位置光斑半径的变化,显著地小于普通谐振腔,在相同外界条件下,其输出激光功率稳定性明显优于普通激光器.     

高功率固体激光装置光学元件"缺陷"分布与光束近场质量的定量关系研究

基于光传输理论,获得了弱调制情况下光学元件"缺陷"分布功率谱密度 (power spectral density, PSD)与光束近场强度分布PSD之间的定量关系;通过数值模拟的方法,针对高功率固体激光装置的基本单元(线性介质、非线性介质以及空间滤波器)对获得的理论关系进行了具体的验证和讨论.研究结果表明,弱调制下,只存在振幅型或位相型"缺陷"分布时,光学元件"缺陷"分布PSD与光束近场强度分布PSD通过近场强度分布PSD的系统传输因子联系,传输因子与系统的构型和运行状态有关.研究结果为光学元件"缺陷"分布指标的获得提供了理论基础,对高功率固体激光装置负载能力的提升起到了一定的指导作用. 关键词： 缺陷分布 功率谱密度 光学元件 光束质量     

Effect of absorbed pump power on the quality of output beam from monolithic microchip lasers

The dependence of the beam propagation factor (M ² parameter) with the absorbed pump power in the case of monolithic microchip laser under face-cooled configuration is extensively studied. Our investigations show that the M ₂ parameter is related to the absorbed pump power through two parameters (α and β) whose values depend on the laser material properties and laser configuration. We have shown that one parameter arises due to the oscillation of higher order modes in the microchip cavity and the other parameter accounts for the spherical aberration associated with the thermal lens induced by the pump beam. Such dependency of M ² parameter with the absorbed pump power is experimentally verified for a face-cooled monolithic microchip laser based on Nd³⁺ -doped GdVO₄ crystal and the values of α and β parameters were estimated from the experimentally measured data points.     

高平均功率固体激光功率和光束质量关系研究进展

固体激光的一个重大发展方向和目标是实现“三高”(高平均功率、高光束质量和高效率)激光同时输出,结合相关研究工作和进展,着重论述了固体激光输出功率和光束质量的关系,给出了功率升高、光束质量非线性下降是当前“三高”固体激光研究的一个基本科学技术问题。围绕这一基本问题,评述了一些重要技术途径和手段,并探讨了实现高平均功率高光束质量固体激光输出的可能有效途径。     

光纤激光共孔径光谱合成实现5 kW高效优质输出

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5 kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07 kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明：多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件;参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。     

高功率激光光学元件面形参数表征

针对神光-Ⅲ原型装置使用的光学元件,基于国内光学元件加工现状,结合空间频段的概念,对高功率固体激光驱动器所需光学元件不同的面形评价参数进行了阐述。结合对激光远场焦斑的影响,对面形评价参数的重要性进行了举例说明。提出了面形的综合评价方式,全面界定面形各项评价参数,对光学元件的评价具有一定的参考价值。     

锥形太赫兹量子级联激光器输出功率与光束特性研究

针对锥形太赫兹量子级联激光器, 利用有限差分波束传播法和速率方程法, 建立了准三维的太赫兹有源器件仿真模型, 能够对具有轴向非线性波导结构的激光器进行模拟. 利用此模型, 研究了锥角大小对激光器输出光功率及光束质量的影响. 仿真结果表明, 考虑到器件之间的光耦合效率, 为了达到最大的有效输出光功率, 锥形太赫兹量子级联激光器的锥角存在一个最优值.     

Transient thermal effect of high power laser mirrors and its propagating characters of far-field

The analytical solutions of the two-dimensional transient thermal effect of high power laser mirrors are developed by using integrate transform technique. Zernike polynomials are introduced to describe aberrations of laser-induced thermal deformations. And, the corresponding expressions of the Strehl ratio and the intensity distribution are gained. Some far-field optical patterns from which we can directly see the divergence of intensity are given. The predicted results are in agreement with that of experiment.