基于動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)新機(jī)理的線狀泵浦板條基模激光器研究

本項(xiàng)目針對線狀端面泵浦的板條激光振蕩器開展研究，此類激光器的應(yīng)用受到諧振腔體積大、熱穩(wěn)區(qū)窄、輸出光斑像散嚴(yán)重等因素的制約。本項(xiàng)目通過采用準(zhǔn)共心腔型、選取位于熱穩(wěn)區(qū)邊沿的動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)，以短腔大模式體積高度匹配線狀泵浦光斑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了具有高度圓對稱性的穩(wěn)定基模輸出。本項(xiàng)目完成的主要研究工作包括：1）建立了線狀端泵準(zhǔn)共心腔板條激光器的熱力學(xué)模型。熱分析表明該腔型中晶體表現(xiàn)出的熱透鏡效應(yīng)與腔內(nèi)基模尺寸有關(guān)，高階熱效應(yīng)造成的等效透鏡效應(yīng)是慢軸方向熱透鏡的重要組成部分；2）由于常規(guī)的動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)確定方法不適用于該型激光器特殊的熱效應(yīng)，因而提出了新機(jī)理研究橫?？刂茩C(jī)制。理論研究表明該型激光器的慢軸方向工作點(diǎn)選取在熱穩(wěn)區(qū)邊沿時(shí)，可穩(wěn)定工作并獲得大基模體積；3）將高階熱效應(yīng)視為對波振面的相位調(diào)制，提出了熱致模式耦合的概念，并構(gòu)建了基于多橫模競爭和熱致模式耦合的速率方程模型，精確描述慢軸方向不同基模尺寸下的輸出特性；4）開展線狀端泵準(zhǔn)共心直腔振蕩器的實(shí)驗(yàn)研究，對于線狀泵浦光斑長度為2.57～9.44mm的情況下均獲得基模輸出，同時(shí)輸出基模寬度對泵浦功率變化不敏感，實(shí)驗(yàn)表明熱穩(wěn)區(qū)邊沿可穩(wěn)定工作，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)新機(jī)理對橫?？刂频挠行?；5）激光器在90W泵浦功率下獲得基模連續(xù)輸出24.5W，光光效率為27%，諧振腔長度為8.8cm，進(jìn)一步基于橫模控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基模光束的光束質(zhì)量數(shù)值、光腰尺寸和光腰位置三個(gè)參數(shù)在水平和豎直兩個(gè)方向的對稱化；6）振蕩器實(shí)現(xiàn)了脈沖重頻30kHz、脈沖寬度10ns、平均功率22.6W的基頻脈沖輸出，并獲得了腔內(nèi)二倍頻和三倍頻的基模輸出。二倍頻的最高輸出功率為14.2W，二倍頻轉(zhuǎn)換效率為62.8%；三倍頻的最高輸出功率為7.5W，三倍頻轉(zhuǎn)換效率為33.1%。以上研究結(jié)果表明，本項(xiàng)目針對線狀泵浦激光器給出了確定動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的新機(jī)理，首次預(yù)測并驗(yàn)證線狀泵浦板條激光器可選擇臨界區(qū)工作點(diǎn)獲得穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)本項(xiàng)目發(fā)展了線狀泵浦板條激光器的橫模控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基模光束的光腰尺寸、光腰位置和M2 因子三項(xiàng)參數(shù)的對稱化。以上動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的新機(jī)理和矯正像散的方法對于該型激光器的設(shè)計(jì)具有較大的指導(dǎo)意義，也可以推廣用于其他類型的板條激光器中。 2100433B

高光束質(zhì)量高穩(wěn)定性的二極管泵浦板條激光器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。板條激光器采用透鏡耦合的線狀光斑泵浦，與光纖耦合相比具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的顯著優(yōu)勢。然而現(xiàn)有的線狀泵浦基模激光器普遍存在較嚴(yán)重的像散，表現(xiàn)為光腰尺寸、光腰位置和光束質(zhì)量數(shù)值在水平和豎直兩方向非對稱；同時(shí)穩(wěn)腔激光器按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論將工作點(diǎn)選取在穩(wěn)定區(qū)，致使熱穩(wěn)區(qū)較窄而且諧振腔體積龐大。如何在短腔匹配線狀泵浦光斑并實(shí)現(xiàn)高對稱性的穩(wěn)定基模輸出是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。本項(xiàng)目將突破傳統(tǒng)熱穩(wěn)腔理論的認(rèn)識，首次預(yù)測并驗(yàn)證線狀泵浦板條激光器可以在臨界區(qū)（熱穩(wěn)區(qū)的邊沿）穩(wěn)定工作。本項(xiàng)目將針對該型激光器的特殊熱效應(yīng)提出確定動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的新機(jī)理，以此為指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)短腔對線狀泵浦光斑的高效匹配，并發(fā)展橫?？刂萍夹g(shù)，全面矯正基模像散，實(shí)現(xiàn)光束的光腰尺寸、光腰位置和光束質(zhì)量數(shù)值的對稱化。最后開展非線性頻率變換，獲得腔內(nèi)倍頻的無像散基模輸出。

對于棒狀激光工作物質(zhì)，側(cè)面泵浦方式更易獲得高功率，連續(xù)激光輸出。在側(cè)面泵浦方式中。泵浦光吸收分布是否均勻，對提高激光器的輸出功率和光光轉(zhuǎn)換效率有極為重要的影響。

棒狀激光器側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中常采用反射腔、柱透鏡。為優(yōu)化泵浦結(jié)構(gòu)，本文提出一種新型泵浦組件。新型泵浦組件為管狀（已申請國家發(fā)明專利，申請?zhí)?201110147755.0）有 n（n 為奇數(shù)）個(gè)溝槽，溝槽底部為弧形，具有一定曲率半徑。在溝槽底部鍍有 808nm 增透膜，在外表面兩溝槽之間鍍有 808nm 高反膜。

玻璃管外面開出溝槽，溝槽底部為具有一定曲率半徑的弧形，與玻璃管內(nèi)壁形成凹透鏡結(jié)構(gòu)，對泵浦光進(jìn)行發(fā)散。對應(yīng)溝槽底部的曲率半徑不同，從而構(gòu)造出發(fā)散能力不同的凹透鏡結(jié)構(gòu)。根據(jù)環(huán)繞激光棒空間分布半導(dǎo)體陣列數(shù)量的不同，所開溝槽數(shù)目可變。本實(shí)驗(yàn)采用的為經(jīng)過快軸準(zhǔn)直的半導(dǎo)體陣列。半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光，快軸方向可以近似認(rèn)為是平行光。根據(jù)廠家提供商導(dǎo)體陣列性能可知，經(jīng)準(zhǔn)直光束在快軸方向 0.6mm 范圍內(nèi)，包含了泵浦光全部能量。則近似認(rèn)為泵浦光束為厚度為 0.6mm 的平行光。在同時(shí)考慮玻璃管材質(zhì)，玻璃管厚度，冷卻水層厚度，和激光棒尺寸，使用 ZEMAX 軟件對泵浦光在激光棒內(nèi)分布進(jìn)行模擬。經(jīng) ZEMAX 模擬可以獲得泵浦光經(jīng)過新型玻璃管在激光棒上形成的幾何分布。從而得出符合設(shè)計(jì)要求的泵浦組件參數(shù)。

經(jīng)過 ZEMAX 模擬可得，對直徑 7mm 棒溝槽底部曲率半徑為 0.7mm；對于直徑 8mm 棒，溝槽底部曲率半徑為 0.65mm，管壁厚度為 3.5mm。

棒狀激光器棒狀激光介質(zhì)熱效應(yīng)的理論分析

在半導(dǎo)體泵浦棒狀激光器中，由于泵浦光能量未能全部轉(zhuǎn)換成激光輸出，在棒狀激光工作介質(zhì)中會產(chǎn)生較多的損耗熱，其產(chǎn)生的主要原因有：

(1) 泵浦帶與激光上能級之間的光子能量差以熱的形式散逸到激光晶體基質(zhì)中，造成量子虧損發(fā)熱。

(2) 激光下能級與基態(tài)能級之間的能量差轉(zhuǎn)換為耗散熱。

(3) 因?yàn)榧す廛S遷過程中的熒光量子效率小于 1，所以除了產(chǎn)生激光外，其余能量產(chǎn)生熱。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)溫度分布

對于采用側(cè)面泵浦方式的棒狀激光器，激光棒是浸沒在冷卻液中。激光棒所產(chǎn)生的熱通過棒表面流過的冷卻液進(jìn)行冷卻。簡化分析，可假設(shè)激光棒內(nèi)部發(fā)熱均勻，激光棒光學(xué)無限長，表面均勻冷卻。這種情況下熱流僅在徑向，軸向上冷卻液溫度的端面效應(yīng)和小的變化可以忽略。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)光彈效應(yīng)和熱應(yīng)力雙折射

通過前兩個(gè)小節(jié)的分析可以看出，Nd:YAG 激光工作物質(zhì)中的溫度分布的不均勻會產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步會通過光彈效應(yīng)使折射率發(fā)生變化，使原來的各向同性材料變?yōu)楦飨虍愋?，即產(chǎn)生熱應(yīng)力雙折射。

由于 Nd:YAG 單晶激光晶體是立方晶體，所以其光率體是一個(gè)圓球，但是它在熱應(yīng)力的作用下變?yōu)闄E球。考慮常用的 Nd:YAG 單晶多用[1 1 1]方向，此時(shí)Nd:YAG 棒的圓柱軸呈[1 1 1]方向，晶體沿著此方向生長，激光也沿著此方向傳播，因此分析主要考慮[1 1 1]方向的折射率變化。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)熱焦距測量方法

對大功率棒狀固態(tài)激光器而言，熱透鏡效應(yīng)對激光器性能有較大影響。同時(shí)在固體激光器熱穩(wěn)腔的設(shè)計(jì)中，也需要知道激光棒的熱透鏡焦距值。所以，要獲得激光棒的熱透鏡焦距值。通常測量熱透鏡焦距的方法有探測光束法、相干測量法、橫模拍頻法，利用光斑半徑、發(fā)散角和熱焦距關(guān)系式間接測量等測量方法。本文采用一種簡單的測量連續(xù)大功率激光器熱透鏡焦距的方法。在大功率激光輸出時(shí)，利用諧振腔的臨界穩(wěn)定條件計(jì)算有效熱透鏡的焦距。平行平面 諧振腔的臨界穩(wěn)定點(diǎn)是對工作介質(zhì)的熱透鏡敏感函數(shù)。可以通過激光器的輸出功率測量，記錄由于有效熱焦距使諧振腔通過特殊臨界穩(wěn)定的點(diǎn)，就能獲得有效地?zé)峤咕嘀怠?

采用基于增益光柵的自適應(yīng)環(huán)形激光諧振腔結(jié)構(gòu)，開展種子注入調(diào)Q脈沖單頻激光器穩(wěn)頻機(jī)理研究，提高單頻輸出激光的頻率穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。研究增益光柵的二維動(dòng)態(tài)特性，獲得增加增益光柵的橫向光場變化范圍的途徑；研究在腔內(nèi)插入相關(guān)元件變換腔內(nèi)光束尺寸方法，抑制相位共軛反射率不一致，消除相互作用光束的橫向形狀和光束位置變化對穩(wěn)頻的影響，揭示種子注入環(huán)形激光諧振腔擴(kuò)展增益光柵作用區(qū)域穩(wěn)頻的機(jī)理；優(yōu)化諧振腔光學(xué)元件的參數(shù)，獲得高重復(fù)頻率、大脈沖能量、高光束質(zhì)量的調(diào)Q脈沖單頻穩(wěn)頻激光輸出；研究穩(wěn)頻系統(tǒng)的抗干擾特性，獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，為探索調(diào)Q脈沖單頻穩(wěn)頻激光器可靠性的提高提供一新途徑，為激光雷達(dá)、光電對抗等系統(tǒng)的研究提供支撐。

半導(dǎo)體激光器可分為側(cè)面泵浦激光器和端面泵浦激光器兩種。相對于側(cè)面泵浦方式，端面泵浦的效率較高。這是因?yàn)?在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦合損失較少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而產(chǎn)生的振蕩光的模式與泵浦光模式有密切關(guān)系，匹配的效果好，因此，工作物質(zhì)對泵浦光的利用率也相對高一些。

正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波長匹配的優(yōu)點(diǎn)在國際上發(fā)展極為迅速，已成為激光學(xué)科的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。它在激光打標(biāo)、激光微加工、激光印刷、激光顯示技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)和科研等領(lǐng)域都有廣泛的用途，具有很大的市場潛力。