环形非稳腔板条激光器腔内自适应光学技术研究

发布时间：2020-06-11 07:41

【摘要】：近年来,固体激光器因体积小、质量轻、全电运行和坚固耐用等优点,已成为激光领域的研究热点。随着科学发展和工业需求,高功率、高光束质量和高效率逐渐成为固体激光器所追求的目标。其中非稳腔式固体激光器结构紧凑、器件少、可靠性高,现已成为固体激光器实现功率定标放大的重要技术路线之一。然而固体激光器随着泵浦功率和增益模块数目增加,将产生大量的废热,造成腔内像差急剧变化,严重制约激光输出功率和光束质量。为保持固体激光器的紧凑性,提出了腔内校正像差影响的自适应光学技术需求。本文紧紧围绕环形非稳腔固体激光器及其腔内自适应光学技术开展理论和实验研究。搭建了环形非稳腔Nd:YAG板条激光器,实现了高功率单向激光输出,并且进一步集成了腔内自适应光学系统,显著改善了输出光束质量。论文的主要研究内容分为以下三个方面:首先,针对现有的Nd:YAG板条激光器的环形非稳腔方案进行了分析,对现有环形腔中倒向波抑制的方法进行了归纳和总结,并结合板条激光器的像差特性和实际应用需求,选取了限孔光阑抑制倒向波的方案;通过求解环形非稳腔的特征光束,建立了限孔光阑尺寸与增益介质中倒向波体积的数学解析关系,定量研究了倒向波抑制对限孔光阑尺寸的要求,并通过实验验证了限孔光阑抑制倒向波的有效性,最终在环形非稳腔板条激光器中实现了高功率单向激光输出。其次,针对环形非稳腔激光模式计算的问题,结合环形腔的实际情况,选取了Fox-Li数值迭代算法进行求解;通过物理光学解决了环形腔内衍射传输的问题,构建了环形非稳腔的数值计算模型,定量分析了腔内倾斜对环形非稳腔输出光束的影响;基于数值计算结果,分析并制定了一种倾斜校正策略,最终通过实验验证了该策略的有效性,提高了环形非稳腔输出功率,抑制了输出光束抖动。最后,根据波前斜率信息利用模式法对腔内像差进行复原,定量研究了该环形非稳腔板条激光器对腔内自适应光学系统的参数要求,并结合现有实验条件,选取了自适应光学系统参数,数值分析了腔内自适应光学校正对输出激光的影响;基于腔内自适应光学校正的数值计算结果,搭建了腔内像差校正实验,验证了环形非稳腔腔内自适应光学校正的有效性,最终在低功率下实现较好的腔内像差校正,将输出光束质量提升到1.61倍衍射极限(β),在高功率下提高了输出功率的同时,提升了激光输出光束质量。通过对环形非稳腔板条激光器的倒向波抑制和腔内自适应光学技术的研究,从理论和实验上证明了此方法的可行性,为非稳腔式固体激光器实现高功率、高光束质量的目标提供一种新思路。
【图文】：

固体激光器,光束质量,输出功率

第一章绪论器及其发展趋势（TheodoreH.Maiman）于 1960 年成功研制出世界世界上科学家们最热衷研究的问题之一。作为 20 世技术及其相关的激光物理学在近 60 年里不断发展壮推动社会的发展的同时，也为人类未来便利的生活高、准直性高、单色性好和易于同步等特点，已经广活、医疗美容、工业加工以及通信等领域[5-13]。固体全电运行和坚固耐用等优点[14]，已是当今研究和应用学的发展和工业应用的需求，高功率、高光束质量和固体激光发展的重大方向和目标[15-22]。

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振荡器功率放大器荡功率放大器结构，通常是由主振荡器和增益放大模块组成，低功率、高光束质量的种子激光，增益放大模块对种子激光进高功率激光，再利用 AO 技术提高光束质量[39]。方面，，美国诺格公司采用“多链路 MOPA+AO+相干合成”输5 年，该公司 Gregory Goodno 等人利用两条 12.5kW 板条激光出 25kW 激光功率[40]，详见图 1.2；2006 年，诺格首次报道 2合成输出功率 19kW，光束质量（BQ）为 1.73[41]；2007 年，ond 等人利用 Nd: YAG 板条 Vesta 模块实现单链路输出功率 1BQ）小于 1.3 倍衍射极限[42]，光路见图 1.3；2009 年，诺格公的 MOPA 链路进行相干合成实现 105kW 功率输出，合成首次实现固体激光器百千瓦级功率输出[42-43]，实物见图 1.4。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248;O439

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