基于变形镜的碟片激光器热焦距测量和基模谐振腔的动态补偿

发布时间：2020-04-30 05:09

【摘要】：在半导体泵浦固体激光器(DPSSL)的基础上进一步发展而来的碟片激光器,因为其优秀的结构设计,很大程度上抑制了热效应问题。但是,随着碟片激光器输出功率的提高,热透镜效应产生的热畸变仍然无法忽视,甚至成为限制激光器输出功率和光束质量的重要原因。用球面可变形反射镜来对碟片激光器热焦距的动态范围进行测量,以及对热畸变的球面部分进行补偿,对碟片激光器的设计非常重要。本文从基尔霍夫薄板理论出发,分析了施加均匀载荷下圆形薄板的弯曲,得到圆形薄板中心区域的形变可以近似为一个球面的结果。通过COMSOL仿真软件对该模型的仿真与验证,封装了这种球面变形镜。并展开在不同压强条件下,镜面变形特性的测试与分析,获得了球面变形的实验结果,并发现了球面变形的曲率半径与压强的关系,为基于此球面变形镜的碟片激光器热焦距的测量与动态谐振腔的设计奠定了器件基础。其次,基于所设计的球面变形镜曲率半径的变形范围,设计了谐振腔稳区宽度不变,稳区边界平移的碟片激光晶体热焦距精确测量的方案,可获得更为准确的碟片激光晶体热焦距的变化范围。随后,基于所获得热焦距的变化范围,通过动态谐振腔的设计技术,给出不同注入功率条件下热焦距与球面变形镜曲率半径的匹配关系,使得该激光器的运行工作点始终工作在最佳位置,实现全泵浦范围内高光束质量的激光输出。最后,基于所设计的球面变形镜,开展了碟片固体激光器热焦距的测量与基模谐振腔动态补偿技术的实验研究。获得了不同泵浦功率下碟片的光焦度从0.115(1/m)到0.189(1/m)的变化范围。以此为基础,采用球面变形镜实现了全泵浦范围内热焦距的动态补偿,在泵浦功率55W时,光束质量因子从M_x~2,M_y~2分别为1.9544,1.9672改善到1.2052和1.1153。
【图文】：

图 1-1 碟片激光器的基本结构虽然碟片激光器优异的结构设计使其热效应有了进一步改善，但是在高功况下，其热效应仍然是不能忽略的[16-17]，是限制碟片激光器进一步发展的重要原因。为了方便研究碟片激光器的热效应，可将其视为一个包含热透镜光谐振腔[18-20]，其热效应也称为热透镜效应，并可以用动态稳定腔的方法来热透镜效应。通过测量碟片晶体不同泵浦功率下的光焦度，有助于设计合适态稳定腔；通过补偿热透镜效应带来的热畸变，能够进一步扩展激光器的输率，提高光束质量。使用合适的光学元件，，如可变形反射镜来补偿碟片激光热畸变，是实现激光器性能进一步优化的比较好的办法。课题组对 Yb:YAG 碟片激光器中的热透镜效应问题已经做了大量的研23]，通过建立碟片热传导模型，对碟片晶体中温度分布、应力分布、光程差

图 1-4 直接液冷板条固体激光器的 MOPA 结构及其自适应光学系统这种系统不仅放大了激光器的输出功率，还通过液冷和变形镜的双重补偿进一步改善了输出功率和光束质量，而自适应系统则能够实时地提高激光器的性能。如图 1-5 所示为波前传感器在不同条件下测得的远场强度分布，该系统实现了数千瓦的 1064nm 激光器的光束质量控制，峰值强度提高了 10 倍以上。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248

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本文编号：2645427