离轴正支共焦非稳腔光束质量的研究

发布时间：2020-05-17 11:25

【摘要】：大功率一直是激光器的发展方向之一,但输出功率的变化对光束质量影响很大,非稳腔作为能够实现大功率高光束质量激光器的腔型,有着重大的研究意义和应用价值。本文主要对离轴正支共焦非稳腔输出光束质量开展了理论和实验研究工作。在综述了非稳腔相比稳腔的优点与非稳腔在激光器中的应用的基础上,介绍了非稳腔输出光束质量的研究现状,包括光束质量评价方法上以及理论与实验相结合的研究。然后从衍射理论出发,介绍了激光谐振腔相关的理论。以离轴正支共焦非稳腔为模型,通过Fox-Li迭代,对比了采用Collins公式和直接利用菲涅尔-基尔霍夫衍射公式计算的输出模式,数值研究了几何放大率M和有效菲涅尔数N_(eq)对Collins公式计算精度的影响并分析了原因。结果显示,计算误差主要集中在光轴附近,复振幅巨大的相位误差导致模值大小、分布误差。另一方面,计算精度会随M的增加,N_(eq)的减小呈现跳变增加,阶跃点N_(eq)与M线性拟合关系为N_(eq)=133.2M-119.46,即Collins公式在菲涅尔数为266以内是有效的。运用截断光束广义M~2因子来描述光束质量,数值研究了离轴正支共焦非稳腔光束质量与几何放大率M和有效菲涅尔数N_(eq)的关系。结果显示,输出光束广义M~2因子会随M的减小,N_(eq)的增加呈现跳变增加,阶跃点M与N_(eq)线性拟合关系为M=0.0094N_(eq)+0.9。并根据实验参数,推导出在保证输出光束质量的前提下,输出镜宽度a的最大值a_(max)≈(0.1132(R_1+R_2))~(1/2)mm。设计了LD端面泵浦Nd:YAG固体板条激光器并进行了光束质量分析实验。通过将实验结果与模拟结果进行对比分析,证明理论模拟与实验研究结果基本吻合。表明了在保证光束质量的前提下,输出镜宽度最大值a_(max)的指导性意义。本文所研究的腔参数对离轴正支共焦非稳腔光束质量的影响对大功率高光束质量激光器的设计具有指导性的重要意义,为进一步开展板条激光器的应用创造了良好的条件。
【图文】：

曲线,光轴,程函,源场

Neq=80.6图 3.4 输出平面归一化振幅分布 3.4 所示，由于硬边衍射的缘故，输出模式含有较多“高空间频呈现出“振荡”的特性。通过图 3.4（a）、（b）与图 3.4（c）、（d，两者的计算结果在 M 为 1.1 时差别较大，但当 M 取 1.6 时，复振幅模值曲线趋于接近。方面，从图 3.4（a）、（b）可以看出，误差主要体现在光轴附近峰值的大小不同，该差异随着离光轴距离的增加而减小，另一方的位置不同，如图 3.4（a）中，Collins 公式的分布模式上，离 x ≈ 0.12处，而另一条分布模式上，在 x ≈ 0.2处。图 3.4（a）、（位主要是由于程函中相位的差异导致了源场相干叠加的不同，，将输出平面上场的相位绘制在图 3.5 中。

相位分布,光轴

18（d）M=1.6,Neq=80.6图 3.5 输出平面相位分布图 3.5（a）、（b）与图 3.5（c）、（d），当 M=1.1 时，相位差在光，并随 x 的增大而趋于稳定，这也就证明了归一化振幅峰值会幅模值在光轴附近计算误差较大是相位误差造成。方面，从几何光学的角度而言，共焦非稳腔可以等效为一个望远平面上的相位分布应该是常数，即“平面波”，硬边衍射的作用体呈现“高空间频率”振荡，而两端的分布呈现较大的起伏，如图示。但整体而言，可以看作“准平面波”。但当 M 取值较小，而3.5（b）），光学系统的球差增加导致光轴附近相位呈现“发散”波
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】