非稳腔薄片激光器腔内像差分析及校正技术研究

发布时间：2017-03-21 16:12

  本文关键词：非稳腔薄片激光器腔内像差分析及校正技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：激光增益介质在热加载时产生的波前面型畸变,会降低激光器的输出功率和输出光束质量,是制约固体激光器发展的原因之一。采用自适应像差校正技术,则是解决固体激光器热畸变问题,实现高功率、高光束质量激光输出的有效手段。本文以高功率多片串接非稳腔薄片激光器为研究对象,对大口径Nd:YAG薄片增益介质中存在的波前畸变对非稳腔输出光束的影响,以及腔内像差校正问题进行了研究,并完成了激光器腔内像差闭环校正实验。本文开展了非稳腔像差特性及其对激光输出特性的影响研究,实验测量了薄片增益介质热致波前畸变。实验发现薄片增益介质均含有较大的倾斜像差和离焦量。利用快速傅里叶变换方法(FFT)建立了数值模型,理论分析了薄片增益介质的波前畸变,对非稳腔激光器输出激光的影响。模拟计算结果表明,薄片增益介质波前畸变中的倾斜像差与离焦像差都将使非稳腔输出功率严重降低,甚至导致无法出光,离焦和高阶像差还会使输出光束质量严重恶化。针对薄片激光器这样的腔内像差特性,本文提出了适合于高功率多片串接非稳腔薄片激光器的像差校正策略：首先对倾斜像差和离焦像差进行闭环校正,再对高阶像差进行腔内闭环校正。倾斜像差在非稳腔中,不仅会带来光轴的倾斜还会引起光瞳的偏移,光瞳偏移的振荡光束会被带有曲率的腔镜反射因而引入新的倾斜。常见的主动倾斜校正方法是基于单程测量波面倾斜信息,这种方法需使用双折镜关联校正,其控制算法复杂,难于实现。本文提出了基于往返探测光校正腔内倾斜的方法,最少只需加入一个折镜,便可同时校正光轴倾斜与光瞳偏移,设计灵活,调试方便,通用性及普适性很强。本文开展了七片串接非稳腔薄片激光器倾斜像差校正实验研究,在开环状态下,激光输出功率在80s时间内输出功率下降31.58%,并且仍未保持稳定；使用该校正方法对激光器进行闭环像差校正,激光器可维持原功率稳定工作,实验验证了校正方法的有效性。正支共焦非稳腔中,振荡光束在腔内以不同口径通过腔内的像差元件时,会改变振荡激光波面且偏折其传输方向,常用于腔外像差校正的共轭反向校正方法不能完善描述这种像差演化效应,无法确表述振荡激光累计的像差。本文提出了一种以导入腔内的准直光束作为参考,基于松弛迭代逐次逼近校正腔内像差的方法,解决了非稳腔内非共轭分布像差复杂演化难于主动校正的问题。所用往返探测装置结构简单,插入损耗小,且无偏振选择性。本文开展了七片串接非稳腔薄片激光器高阶像差校正实验研究,使用变形镜对腔内高阶像差进行闭环校正。校正后,激光器可保持稳定工作,激光输出功率提升了24%,输出光束质量由β=25.24降低至β=6.58。实验结果验证了这种校正方式可明显提升具有腔内像差的非稳腔输出激光光束质量。
【关键词】：Nd:YAG 薄片激光器 非稳腔 FFT方法 像差校正
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 概述9
• 1.2 薄片激光器概述9-11
• 1.2.1 薄片激光器基本理论9-10
• 1.2.2 多片串接非稳腔薄片激光器10-11
• 1.3 激光器像差校正技术11-15
• 1.3.1 自适应像差校正技术概述11-12
• 1.3.2 腔外自适应像差校正技术12
• 1.3.3 腔内自适应像差校正技术12-13
• 1.3.4 Zernike模式函数序列13-15
• 1.4 国内外研究状况15-17
• 1.5 本文的研究思路与主要内容17-18
• 第二章 多片串接非稳腔薄片激光器数值模拟18-30
• 2.1 正支共焦非稳腔的基本特性18-21
• 2.1.1 共焦非稳腔基本理论18-19
• 2.1.2 正支共焦非稳腔光学分析19
• 2.1.3 光束质量评价方法选择19-21
• 2.2 非稳腔的数值模拟21-29
• 2.2.1 角谱理论21-22
• 2.2.2 FFT方法基本原理22-25
• 2.2.3 有源非稳腔模式求解25-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第三章 非稳腔内像差特性及激光输出特性研究30-43
• 3.1 薄片增益介质波前畸变研究30-37
• 3.1.1 薄片增益介质波前畸变特点30
• 3.1.2 薄片增益介质波前畸变测量实验方案30-31
• 3.1.3 薄片增益介质倾斜像差测量及分析31-33
• 3.1.4 薄片增益介质波前畸变测量及分析33-37
• 3.2 腔内像差对非稳腔的影响37-42
• 3.2.1 倾斜像差对非稳腔的影响37-38
• 3.2.2 离焦像差对非稳腔的影响38-40
• 3.2.3 高阶像差对非稳腔的影响40-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第四章 非稳腔腔内像差校正研究43-62
• 4.1 非稳腔内倾斜像差校正研究43-48
• 4.1.1 基于往返探测校正腔内倾斜原理43-45
• 4.1.2 腔内倾斜校正方法的数值模拟45-48
• 4.2 非稳腔内像差非共轭校正研究48-56
• 4.2.1 非稳腔腔内像差演化48-49
• 4.2.2 非稳腔内像差非共轭校正研究49-52
• 4.2.3 腔内高阶像差校正方法的数值模拟52-56
• 4.3 非稳腔腔内像差校正实验研究56-60
• 4.3.1 非稳腔内像差校正实验方案56-57
• 4.3.2 非稳腔内倾斜、离焦像差校正实验研究57-58
• 4.3.3 非稳腔内高阶像差校正实验研究58-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 总结62-64
• 5.1 本文工作总结62-63
• 5.2 创新点说明63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-67
• 在读期间学术成果67

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