对飞秒脉冲同步泵浦光学参量振荡器中输出场模式空间旋转的分析

基于飞秒脉冲同步泵浦光学参量振荡器（SPOPO）产生的时域多模非经典光场与空间的厄米高斯多模相结合,可以产生具有时空多模特性的非经典光场,将有望进一步扩展量子信道容量并且进行量子测量。为了实现SPOPO中多横模共振所搭建的非平面环形腔,其在补偿了像散的同时引入了光束的图像旋转。本文就这一问题,采用了高斯光束反射坐标系的构建方法,分析了非平面环形腔中坐标旋转的成因。并且进一步使用多光束干涉的方法理论上计算了当光束在谐振腔内一圈旋转3.26°的情况下总旋转角为25.641°。通过实验模拟验证了理论计算的正确性,并分析了在不同的坐标旋转角以及在不同透射率透射镜的情况下腔镜输出模式的旋转角度,得出了输出模式旋转角度与二者的关系,为进一步优化SPOPO系统和研究非平面腔SPOPO中的多模纠缠关系提供了依据。     

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。     

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。     

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。     

一种LD泵浦双向输出固体环形激光器

提出了一种用于激光陀螺仪的LD泵浦Nd∶YVO4双向输出固体环形激光器。计算了谐振腔的环绕矩阵,分析了曲面镜焦距和放置距离对谐振腔稳定性的影响。得出了构成环形腔的稳定条件,光腰最大化条件,以及光束特性。并对所设计的环形腔进行了实验,获得了双向、多纵模基横模连续输出。     

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。     

束旋转90°对束变换环孔腔输出性能的影响

 使用积分方法和差分方法结合的快速计算方法，在实际燃烧驱动氟化氢化学激光器增益介质沿径向分布不均匀的情况下，考虑在光束变换环形孔径激光谐振腔的紧束段引入光束旋转90°对其输出性能的影响。计算结果显示：在无腔失调的情况下，在紧束段引入光束旋转对束变换环孔激光谐振腔输出功率及光束质量的改善并不显著；在存在腔失调的情况下，紧束段光束旋转对于输出功率和光束质量的改善有显著效果。     

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。     

激光辐照下非稳腔镜变形对激光模式的影响

 分析了正支虚共焦非稳腔中腔镜变形对激光模式的影响,采用时间离散化、快速傅里叶变换（FFT）和有限元分析(FEA)方法解决腔镜变形和激光模式两者之间的耦合问题。计算结果表明,随着激光器工作时间的增加,腔镜温升和变形相应增大,谐振腔模式变差,输出光场相位均匀性变差,呈现散焦现象,输出光束质量下降。实验验证了激光器输出光束质量随出光时间的延长而逐渐变坏。     

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。     

角锥棱镜谐振腔激光模式模拟研究

为了探究角锥棱镜谐振腔激光模式,以角锥-平面镜腔为例,将角锥棱镜等效为衍射光栅,考虑角锥镜棱宽在谐振腔中的衍射效应以及二面角误差引起的附加相位分布对谐振腔激光模式的影响,在光学谐振腔理论的基础上,建立了求解本征模式的理论分析模型.采用快速傅里叶法数值模拟不同腔长、角锥镜棱宽和二面角误差情况下该无源谐振腔激光输出模式分布情况.结果表明,在腔长30 cm、角锥镜棱宽小于75μm、二面角误差在-10′~5′之间时,可实现光斑完整的圆形分布输出模式,且有较好的光束质量;棱宽不小于0.4 mm,二面角误差在-40′~10′之间时,光斑为TEM 03阶横模,光场呈六瓣分布;当角锥镜棱宽为0.4 mm、二面角误差为3′,腔长从30~90 cm范围内增加时,该谐振腔输出的激光模式从TEM 03转换成TEM 10.     

同轴放电环形增益区谐振腔镜面的场分布

 对几类环形增益区谐振腔进行了比较,得出利用谐振腔两镜之一的全工作面输出的新型环形增益区谐振腔是适合的谐振腔。提出了一种计算全工作面输出的同轴放电环形增益区谐振腔镜面场分布的方法,利用几何方法对腔镜镜面进行划分,得出了基于菲涅尔-基尔霍夫衍射积分定理的积分区域,并对该区域进行了有限元划分,应用计算机编程计算出了同轴放电环形增益区谐振腔镜面处的光场分布和相位分布。近场分布在环形区中央部分近似地呈高斯分布,且沿径向出现高阶模场分布特点,沿角向无差别。     

氧碘化学激光器束转动90度环形非稳腔空心光束输出研究

 主要描述了氧碘化学激光器束转动90°环形非稳腔（UR90）空心光束输出的腔结构及几何模式特点,实验中获得了在放大率M=1.695,激光平均输出功率4.0kW时,空心光束输出的激光光束质量为3.2倍衍射极限,同时对空心光束输出特性进行了分析。     

用声光调制器实现的1 W Nd∶YAG单纵模环形激光器

鉴于单向环形腔是目前获得较大功率单纵模激光最有效的方式之一,为使环形腔单向运行,需要在环形腔内插入对正反2个方向的光产生损耗差的光学元件。采用激光二极管泵浦Nd∶YAG晶体,用声光调制器作为光学二极管使环形腔单向运行,实现四镜矩形环形腔单纵模激光器。实验中谐振腔的稳定性由增益介质的热透镜保证,声光调制器给正反2个方向的光提供损耗差,这使得在竞争过程中有较大损耗的光不能运行从而获得单向输出。实验获得了连续功率1 W、光束质量因子M2为1.21 的1.06 m单纵模激光。     

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。     

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。     

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.     

二极管侧面抽运Nd:YAG/KTP腔内倍频百瓦级绿光激光器

为了获得百瓦级激光二极管侧面泵浦绿光激光器,设计了双棒串接、双声光调Q的Z型谐振腔结构.依据光束传输矩阵,通过软件模拟并计算了激光晶体内基模半径随屈光度的变化以及倍频晶体附近腔内光场在子午面和弧矢面内的分布情况,筛选出理想的谐振腔参数.在总泵浦功率1 080 W,声光调Q重复频率为10 kHz时,获得532 nm绿光最大平均输出功率为174.1 W,脉冲宽度为160 ns,光-光转换效率为16.1%,光束质量因子M2x＝9.63,M2y＝9.78.实验结果表明,使用双棒串接、双声光调制Z型腔结构,可以获得百瓦级高功率高光束质量532 nm绿光输出.     

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。