高功率高重复频率全固态激光器热透镜效应补偿与分析

新型光学谐振器和热透镜效应Thomas Graf Rudolf Weber, and Heinz-P. Weber 应用物理研究所，Beme Sidlerstrasse 5大学，CH - 301 2 Beme，瑞士概要激光谐振腔支持稳定的振荡的最大功率范围主要是由活性介质（热）材料常数和冷却方法所决定。

通过控制稳定的基本模式操作的功率范围，可以转移到更高的能量，具有特殊的腔设计和腔内光学但稳定范围的宽度不会受到影响。

此外，在泵的活性介质强度增加也加剧了非球面元件的热诱导的扭曲。

因此，开发新颖的谐振器时，分析这些热效应具有重大意义。

我们目前对热诱导的扭曲，一种新型的多棒激光腔，变量配置的谐振器（VCR）进行分析。

对热效应进行了数值模拟和实验的研究。

我们目前对各种抽水和冷却方案进行比较后发现复合棒端面泵浦激光器提供最有效的冷却。

VCR被开发调控基本模式激光器的功率范围。

由于其能力作为法布里- 珀罗谐振器，它克服了稳定性与传统的多棒谐振器相关的问题，并允许一个新的Q开关技术作为一种环形腔运行。

关键词：固态激光器，二极管泵浦激光器，光学谐振器，热透镜效应，热致双折射。

1.介绍二极管泵浦固态激光器，有着广泛的工业和科学应用。

二极管激光器价格的不断下降，应用正在扩展到高功率范围。

此外，泵浦方式的改善使二极管激光辐射高效和紧聚焦到激光材料。

由于大量吸收功率，这将导致强烈的局部加热。

因此，在固态激光材料的热效应已经获得了相当高功率，半导体激光泵浦全固态激光器作为一个发展中的关键问题的重要性被提高。

选中激光材料后，热效应只与冷却的方法有关，然后必须采用适当的谐振器设计。

我们在下面的实验和数值调查报告二极管激光的热效应泵浦全固态激光器和特殊的光学谐振器的发展。

热透镜效应和应力引起的双折射用于比较四种不同的冷却技术。

完全验证的数值有限元（FE）代码，它也适用于区分不同的热透镜效应的贡献- 比如弯曲的表面和折射率变化与温度和应力性曲折分析高功率激光器的功率调整的极限。

T el:029******* Email:dav idkwan78@收稿日期:20030422一种能补偿热效应的高功率端面泵浦Nd YVO 4激光谐振腔的设计关 俊 陈国夫 程光华 刘 畅 侯 洵(中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学技术国家重点实验室,西安710068)摘 要 针对激光二极管端面泵浦的Nd Y VO 4全固态激光器,提出了一种利用双晶体,对Nd Y VO 4的热效应进行补偿的方案,同时该方案又能提高最大输出功率,避免由于插入附加光学元件所导致的损耗,满足调Q 以及提高腔内倍频效率的要求 关键词 谐振腔;热效应补偿;双晶体;端面泵浦;Nd Y VO 4;DPSSL中图分类号 TN248.1 文献标识码 A0 引言激光二极管抽运的全固态激光器(DPSSL)由于其效率高、光束质量好、体积小、寿命长等优点,在测量、遥感、数据存储、医学等领域有着广泛的应用 而端面泵浦的DPSSL 以其泵浦光利用光纤耦合时能够实现泵浦源与激光器的有效分离,近年来成为人们研究的热点在众多适合LD 泵浦的激光介质中,Nd Y VO 4晶体由于它的受激发射截面大、吸收系数高、吸收光谱宽、偏振输出等优点而倍受青睐[1]然而Nd Y VO 4晶体的热导率很低,只有YAG 的一半,激光运行时所表现出的强烈的热效应,严重影响了激光器的稳定性和输出光的光束质量,限制了其在较高功率激光器上的应用 因此热效应的影响成了当前亟待解决的问题[2]关于解决热透镜的问题除了设计热稳腔外,还可以对热透镜效应进行补偿[2~4],但以前报道的热效应补偿方法都是通过加入附加的光学元件,增大了损耗降低了输出功率;本文根据几何光学原理,用两块激光晶体产生的热透镜组成共焦系统,能够有效地避免热透镜效应导致的输出功率下降、激光腔的热稳定性差和输出光束质量变差等问题,提出一种既能补偿热透镜效应又能提高最大输出功率的激光腔的设计1 谐振腔的设计与分析1.1 腔的设计本文针对端面泵浦的Nd Y VO 4调Q 、腔内双通倍频激光器进行设计,考虑图1所示的LD 双端泵浦Nd Y VO 4Z 型谐振腔 泵浦光的光路为:LD 1(2)Focusing Optics M 1(M 2);而M 1 L 1 Nd Y VO 4L 2 Nd Y VO 4 L 3 L 4(调Q 晶体) M 3 L 5(倍频晶体) M 4则构成了振荡光路 其中,两块相同的激光晶体相对旋转90!放置(对此将在后面有详细的说明和分析),并且光路中的相应光学元件已经按合适参数镀膜下面以Nd Y VO 4发射波长1064nm 为例,利用传输矩阵对图1所示的谐振腔进行设计和分析:由于调Q 晶体、倍频晶体的光学长度相对于各段光路来说是小量,所以在此忽略它们对传输矩阵的影响图1 LD 端面泵浦Nd Y VO 4Z 型谐振腔Fig.1 Ld end pumped Nd Y V O 4Z cavit yM 1、M 2为平面镜;M 3、M 4为凹面镜,其曲率半径分别为R 3、R 4;M 3的折叠角为 ;两块同样的NdYVO 4晶体的长度为L ;晶体中产生的热透镜焦距的取值由文献[5]中的式(13)计算得到,并且认为热透镜位于晶体的中间且两块晶体中产生的热透镜参数相同 以紧贴M 4的左端面的平面为参考平面,则谐振腔内子午面和弧矢面上,傍轴光线往返一周的变换矩阵为M t =A t B t C t D t =1L 50110-2/(R 3c os)1∀1L 4011L 3011L /2n 0110-1/f t 11L /2n 01∀1L 2011L /2n 0110-1/f t11L /2n11L 101∀第32卷第12期2003年12月光 子 学 报ACTA PHOTONICA SINICAVol.32No.12December 20031L1 011L/2n0110-1/f t11L/2n11L201∀1L/2n 0110-1/f t11L/2n011L311L401∀10 -2/(R3cos )11L50110-2/R41M s=A sB sC sD s=1L50110-2cos /R3)1∀1L4011L3011L/2n0110-1/f t11L/2n01∀1L2011L/2n0110-1/f t11L/2n011L101∀1L1011L/2n0110-1/f t11L/2n011L201∀1L/2n0110-1/f t11L/2n011L3011L401∀10-2cos /R3)11L50110-2/R41首先,利用数值计算并结合实际中易实现的原则选取一组理想的参数:L=5mm,L1=10mm,L2=180,L3+L4=145m m,R3=150mm,R4=50mm;为了实际中易于调整,选取腔定性最为敏感的折叠角 和短臂L5为变量 根据腔的稳定条件:G t<1且G s<1(G i=|D i+A i|/2,i=t和i=s分别对应于子午面和弧矢面的光束) 同时,为了保证较高的倍频效率,还应该使L5上的束腰处(置放倍频晶体的位置)的像散尽量小,为此设置在该处的像散要求:|R t-R s|<0.003mm;|w t-w s|<0.003mm 其中R i=2B i/(D i-A i),w i=2 |B i|/[4-(D i-A i)2]分别为L5上束腰处的子午面和弧矢面内的等相位曲率半径和光斑半径 和L5取值范围分别为:#[0,80!],L5#[0,250mm],做出二者在f t#[140mm,∃]上的三维立体图1.2 腔的稳定性分析在三维图上选取满足对f t#[140mm,∃]都稳定的 值,结合实际选取 =10!,利用数值计算做出L5,f t的稳区图,如图2;为了比较,在其它条件不变的情况下去掉图1所示的右边激光晶体,并做出其L5,f t的稳区图,如图3 比较图2和图3可以看出,利用双激光晶体进行补偿后L5,f t稳区图明显加宽,并且从图2中还可以看出,利用双激晶体进行补偿后,当L5取[105,120]mm上的任何一个值时,腔在热透镜焦距f t[140mm,900]上都是稳定的,这大大提高了腔的热稳定性图2 利用双激光晶进行补偿后的稳区图Fig.2 T he stable zone with compensated by tw in laser crystals图3 没有利用双激光晶体进行补偿(单个激光晶体)的稳区图Fig.3 T he stable zone without compensated by tw in lasercr ystals1.3 倍频效率分析为了保证倍频效率,一般把倍频晶体放在L5臂上的束腰位置,并且使光束在倍频晶体处的像散尽量小,这一点我们在前面的数值计算中已经保证;此外,减小束腰位置的变化量和束腰半径的变化量也是提高倍频效率和激光器稳定性的重要措施;从图4中可以看出,热透镜焦距f t在[140mm,900]上变化时,在利用双激光晶体进行热效应补偿的情况下,L5臂上的束腰位置r20t/r20s(t和s下标分别表示子午面和弧矢面内的参量,下同)的变化量在10mm以下,而采用单块激光晶体时,L5臂上的束腰位置r10t/r10s的变化量则大得多 图5则表明:热透镜焦距f t在[140mm,900]上变化时,利用双激光晶体进行补偿后,L5臂上的束腰半径w20t/w20s变化很小变化率小于14%,特别是在140~700m m范围内w20t/w20s几乎不变;而在此范围内,采用单激光晶体时的w10t/w10s的变化则很大 所有的这些都说明,利用双图4 束腰位置r20t/r20s,r10t/r10s随f t的变化Fig.4 Waist location r20t/r20s,r10t/r10s as a function of f t141912期关俊等.一种能补偿热效应的高功率端面泵浦N d Y V O4激光谐振腔的设计图5 束腰半径w 20t /w 20s ,w 10t /w 10s 随f t 的变化F ig.5 Spot radii w 20t /w 20s ,w 10t /w 10s as a function of f t激光晶体进行补偿后在提高倍频效率上也有较大的优势1.4 输出光束质量分析为了增大散热面积,一般将四方系的Nd Y VO 4晶体切割成m %m %n 的形式,并且采用周边强制冷却的方式;而为了利用Nd Y VO 4的偏振输出特性,通常都是使晶体的四次旋转对称轴(光轴)垂直于光轴放置 这样,由于在振荡光通过的截面内晶体具有各向异性,导致了在相同温度边界条件下在x 与y 方向上有不同的温度梯度,进而导致在x 和y 方向上的热透镜焦距不同,这一点已经由文献[7]证实 所以在利用单激光晶体且没有进行相应补偿的情况下,输出的光束质量较差;而在利用如图1所示的双激光晶体结构时,如图6所示,将两块晶体相对旋转90!放置,其中,s &,和s ∋分别表示平行与光轴面与垂直与光轴面 由于振荡光束在s &面和s ∋面都经历了相同的屈光度(均为1/f t &+1/f t ∋,f t &,f t ∋分别为s &面和s ∋面内的热透镜焦距)所以可以补偿光束的畸变而得到较好的光束质量图6 两激光晶体相对旋转放置示意F ig.6 Relative placement of tw in laser cr ystals2 结论我们提出了一种利用晶体本身的热效应来进行(自补偿),这种补偿有以下几点优势:1)由于随着泵浦功率变化,两晶体内产生的热透镜做同样的变化,这样热透镜的补偿范围(泵浦功率的变化范围)就更宽,腔的热稳定性更好2)由于在光路中不引入导致谐振腔调整困难的透镜以及其它任何附加光学元件,减少了反射和吸收等损耗,提高了效率和输出功率3)由于晶体中的热效应所产生的热应力不能超过Nd Y VO 4的断裂应力,所以单位增益介质上存在最大泵浦功率及输出功率极限,亦即Nd Y VO 4激光器的定标问题[8] 而采用双晶体结构时,在补偿热效应的同时增加了增益介质,减少了每块增益介质上所承担的泵浦能量,所以可以承受总体更高的泵浦能量进而可以获得更高的输出功率极限4)由于光束在连续通过两块相同条件下的激光晶体时,经历了相反的纵向温度梯度,补偿了晶体中的由于纵向分布的温度梯度所导致的热效应;同时,由于振荡光通过两块激光晶体时,在子午面和弧矢面经历了相同的屈光度补偿了由于晶体的热效应横向各向异性造成的椭圆型光斑;所有这些都有利于提高光束质量,这是其他补偿方法很难达到的5)由于Nd Y VO 4为单轴晶体且具有偏振吸收和偏振激发特性,它的热致双折射效应相对于其本身的双折射来说可以忽略,所以Nd Y VO 4晶体的热效应不会产生退偏损耗,因而两块激光晶体之间不需要加入旋转片;而当采用Nd Y AG 做激光晶体时,由于其为立方系晶体且非偏振激发而会产生热致双折射,在采用本文所提出的腔的结构时,不但可以补偿热透镜效应而且参考文献[9]和[10]等分别从理论和实验上已经证明在两块Nd Y AG 晶体之间加入90!旋转片后还可以补偿热致双折射和退偏损耗通过数值模拟,证实了这种腔结构设计的优势与可行性,同时也为同类激光器的设计提供了参考 参考文献1 白晋涛,张振杰,武自录,等 用于飞秒紫外激光产生的L D 泵浦高效Nd YV O 4绿光激光器研究 光子学报,2000,29(11):1053~1055Bai J T ,Zhang Z J,Wu Z L,et al A cta Phontonica Sinaica ,2000,29(11):1053~10552 尹丽娜,陈莹,陈檬,等 大功率L D 端抽运N d Y A G Z 型腔内热效应补偿的研究 中国激光,2002,A29(8):673~676Y in L N ,Chen Y,Chen M ,et al Chinese Jour nal ofLasers ,2002,A29(8):673~6763 高颖,黄维铃,刘耀兰,等 固体激光器热透镜焦距的自适应补偿 中国激光,1999,A26(3):205~208G ao Y,Huang W L ,Liu Y L ,et al Chinese Jour nal of Laser s ,1999,A 26(3):205~2084 张光寅,宋峰,冯衍,等 可自适应补偿热透镜效应的固体激光谐振腔 物理学报,2000,49(8):1495~1498Zhang G Y,Song F ,F eng Y ,et al A cta Physica Sinica ,2000,49(8):1495~14985Innocenzi M E,Yur a H T ,F incher L ,et al.T her mal modeling of cont inuous w ave end pumped solid stat lasers.A pp l Phy s Lett ,1990,56(19):1831~18336Walter K Solid state laser eng ineering New Yor k:1420光 子 学 报32卷Spr ing er Verlag,19997 郑朝思,胡企铨 半导体激光泵浦各向异性介质的热效应 中国激光,1997,24(8):679~683Zheng C S,Hu Q Q Chinese Jour nal of L aser s ,1997,24(8):679~6838P eng Xiaoyuan,Xu L,Asundi A,et al Pow er scaling of diode pumped Nd Y VO 4lasers.IEEE JQ uantumElectronics ,2002,38(9):1291~12999Giunliani G ,Paola R.Polarization flip cavities:A new appr oach to laser resonators Op tics Co mmunications ,1980,35(1):109~11210 Y asui K.Efficient and stable operation of a hig h brightnesscw 500W Nd:YAG rod laser.A p p l Op tics ,1996,35(15):2566~2569Design of Thermal Effect Compensation Resonator for a Sort of High powerEnd pumped Nd Y VO 4LaserGuan Jun,Chen Guofu,Cheng Guanghua,Liu Chang,H ou XunS tate K ey L aborator y of T ransient Op tics T echnology ,X i ∗an I nstitute of Op tics and Pr ecision Mechanics ,Chinese A cademy of Sciences ,X i ∗an 710068,P.R.ChinaR eceived date:20030422Abstract For diode end pumped Nd YVO 4solid state laser,a scheme employ ing twin laser crystals tocompensate thermal effects is brought forw ard.At the same time laser max imum output can be enhanced,and the loss resulting from additional optical elem ents can be avoided,Q sw itching and efficient frequency doubling can be met in this scheme.Keywords Resonator;Thermal effect compensation;Tw in laser crystals;End pum ped;Nd Y VO 4;DPSSLGuan Jun w as born in 1978,in Zhumadian,Henan Province.H e received the B.S deg ree in M echanical Eng ineering from Xi ∗an Jiaotong University .Now ,he is pursuing his M.S.degree directing by Prof.Hou Xun(Academician of CAS)and Prof.Cheng Guofu in Xi ∗an Institute ofOptics and Precision M echanics .His current interest is in solid state laser.142112期关俊等.一种能补偿热效应的高功率端面泵浦N d Y V O 4激光谐振腔的设计。

高功率高光束质量全固态皮秒激光器及中红外全固态激光器研究的开题报告摘要：本文提出了一种基于全固态技术的高功率高光束质量皮秒激光器和中红外全固态激光器的研究方案。

通过选择合适的材料和设计有效的光学布局，可以实现高功率、高光束质量和较窄的脉冲宽度。

具有较强的应用前景和广泛的应用领域。

研究背景：全固态激光器已经成为重要的光学工具，在科学、医学、军事、能源等各个领域都有广泛的应用。

在高功率、高光束质量和较窄的脉冲宽度方面，全固态激光器具有不同于其他类别激光器优异的性能。

因此，发展高功率、高光束质量和较窄脉冲宽度的全固态激光器对于提高激光器的性能和应用价值具有重要意义。

研究目的和意义：为了解决传统激光器在高功率、高光束质量和较窄脉冲宽度方面存在的问题，本文提出了用全固态技术研究高功率高光束质量皮秒激光器和中红外全固态激光器的方案。

该方案基于合适的材料和设计有效的光学布局，可以实现高功率、高光束质量和较窄的脉冲宽度。

这对于改进激光器的性能和应用价值具有重要意义。

研究方法：本研究将采用以下方法：1.选择合适的材料，例如掺铒和掺钇的荧光材料，根据其能级结构和吸收谱线设计出相应的光学布局。

2.利用模拟计算方法，如数值模拟和有限元方法等，对设计的光学布局进行模拟和优化，在保证高功率、高光束质量和较窄脉冲宽度的前提下，进一步调整优化对应的相关参数。

3.搭建实验平台，并根据模拟计算结果进行实验验证，同时对实验结果进行分析和优化。

预期成果：本研究计划可以实现高功率、高光束质量和较窄脉冲宽度的全固态激光器，解决传统激光器在高功率、高光束质量和较窄脉冲宽度方面存在的问题。

同时，该方案具有较强的应用前景和广泛的应用领域，例如高功率激光切割、医疗、军事和材料加工等方面。

文章编号:0258 7025(2007)09 119004热退偏损耗完全补偿的千赫兹电光调Q Nd YAG 激光器冯永伟,戴殊韬,朱小磊(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)摘要 为了同时补偿固体增益介质的热致双折射及热透镜效应,进一步提高重复频率1kHz 激光二极管(LD )侧向抽运高平均功率电光调Q Nd Y A G 激光器的输出功率,设计了一种完全消除热退偏损耗的双调Q 开关谐振腔结构,此结构在传统调Q 谐振腔的基础上沿着偏振片的退偏方向增加了一个调Q 谐振支路,并使得激光从增益介质方向输出.实验结果表明,此激光器的单脉冲能量比单Q 开关结构的非补偿腔输出能量高出74.7%.当侧面抽运的激光二极管输出脉冲能量达到307mJ 时,激光输出能量达到26.2m J,光 光转换效率为8.5%,光束发散角为1mr ad.关键词 激光技术;N d Y AG 激光器;热退偏补偿;电光调Q;热致双折射;中图分类号 T N 248.1 文献标识码 A1kHz Electro Optic Q Switched Nd YAG Laser with Complete Compensationof Thermally Induced Depolarization LossFENG Yong w ei,DAI Shu tao,ZH U Xiao lei(Shanghai I nstitute of Op tics and F ine M echanics ,T he Chinese A cademy of S ciences ,S hanghai 201800,China )Abstract A do uble Q sw it cher str uctur ed resonato r that can co mpletely co mpensate the ther mally induced depolarizatio n loss is desig ned t o co mpensate ther mally induced birefr ingence and thermal lens effect of solid g ain medium to g et hig her output pow er fr om a 1kH z laser dio de (LD)side pumped electr o o ptic Q sw it ched Nd Y AG laser.We add a r eso nato r branch a long the w ay o f the depo lar ization dir ection of the po lar izer on the base o f a co nv entional Q swit ch uncom pensated structure laser and the o utput is fro m the N d Y AG crystal side.T he ex perimental results sho w that,in the same situatio n,the pulse ener gy of the improv ed laser is 74.7%higher than that of or ig inal one.At a hig hest input energ y of 307mJ,the pulse ener gy of 26.2mJ is o bt ained.T he o ptic o pt ic eff iciency is 8.5%and t he angle of diver gence is abo ut 1mrad.Key words laser technique;N d Y A G laser ;thermally induced depolarization co mpensation;elect ro o pt ic Q sw itch;ther mally induced birefring ence收稿日期:2006 12 26;收到修改稿日期:2007 03 26作者简介:冯永伟(1981 ),男,河南人,硕士研究生,主要从事固体激光技术、非线性频率转换技术的研究.E mail:yw feng 81@导师简介:朱小磊(1966 ),男,浙江人,研究员,主要从事固体激光器技术及激光器应用系统的研究.E mail:xlzhu@mail.sio 1 引 言高平均功率、高重复频率、高光束质量的固态激光器在工业加工、军事装备、空间通信和医疗诊治等领域有着重要的应用价值.随着大功率激光二极管(LD)阵列输出性能的不断提高,激光二极管抽运的全固态激光器(DPSSL )迅速成为激光器发展的热点内容,它具有效率高、性能稳定、输出光束质量好、体积小和使用方便等优点[1].在高功率全固态激光器中,激光二极管的抽运光谱和固体增益介质的吸收光谱能够实现匹配,但是由于介质内的抽运光功率密度显著增强,会出现严重的热效应,引起热致双折射、相位畸变、热聚焦、热透镜等现象,严重影响激第34卷 第9期2007年9月中 国 激 光CHIN ESE JOU RNA L OF LA SERSVo l.34,N o.9September,2007光器的输出功率和光束质量[2~5].随着抽运功率的增大,激光介质的热效应会越来越显著,甚至成为限制激光器性能提高的一个致命因素[6].其中增益介质的热致双折射使激光束的偏振性明显退化,当腔内存在起偏器时,腔内损耗显著增加,将直接导致激光输出功率的下降,成为制约激光器输出功率提升的重要因素.而增益介质严重的热透镜效应将造成增益激活区内振荡模体积的缩小,激活粒子数有效利用率下降,最终限制激光器效率的提高.目前有很多种方法来补偿热致双折射效应.最常见的是在腔内放两根相同的增益介质,并在双介质中间加一个90!旋转片,就可以实现该振荡器的双折射补偿,利用这一技术,已经实现了可忽略功率损耗的线偏振输出和相当于多模功率50%~70%的TEM00模输出[7].在单棒激光谐振腔中,在棒和后反射镜之间放置45!法拉第旋转器,也能够起到相同的作用,实现双折射的补偿[8],而集成了法拉第旋转器和反射镜的法拉第镜,则已被广泛地用于补偿热退偏损耗[9].在高功率的电光调Q N d YAG激光器中,调Q晶体也会出现类似的热致双折射效应,其补偿方法和激光介质的热致双折射补偿方法相同.有人提出用一种环形腔结构来同时补偿调Q 晶体和激光介质的热致双折射效应[10],其原理是在两个相同的泡克耳斯盒之间加入90!旋转器,通过改变激光光束的偏振方向来同时补偿两个晶体的热致双折射效应.我们已利用双电光调Q晶体开展了对激光介质热致双折射效应补偿的研究,很大程度上提高了激光器的输出功率[11].此外,当采用具有天然双折射特性的晶体作为激光介质时,由于晶体中的自然双折射效应远大于热致双折射效应,因而其热退偏效应可以忽略.而应用板条结构激光介质能够消除热退偏损耗,从而成为固体激光器的重要发展方向之一.本文针对重复频率1kH z的激光二极管线阵列侧面抽运的Nd YAG介质热效应特性,为了实现热致双折射效应的完全补偿,设计了复合双调Q晶体开关凸镜全反射支路谐振腔结构,获得了高功率非偏振激光束输出.2 激光器结构设计图1为典型的没有热退偏补偿功能的电光调Q Nd YAG激光器谐振腔示意图.激光介质Nd YA G晶体被32条激光二极管线阵列侧面环绕直接抽运,Nd YAG晶体尺寸为 5m m∀75mm.作为抽运源的激光二极管线阵列阈值电流约为20A,单阵列最大峰值功率为100W(电流为120A),在1kH z重复频率下其占空比为20%.利用KD*P晶体作为电光调Q晶体.激光器谐振腔长为350mm,平板输出耦合镜的透射率为70%.为了补偿高功率抽运下的Nd YAG晶体棒的热透镜效应,采用平凸腔设置,全反射后腔镜(H R mirro r)采用凸镜,参考前期工作的理论分析实验结果[12],实验中凸全反射镜的曲率半径为-250mm.图1传统N d YA G调Q固体激光器结构图F ig.1T ypical Q sw it ched Nd Y AG solid st atelaser图2热退偏补偿谐振腔结构示意图Fig.2Cavity of compensat ion of thermallyinduced depo lar ization图2为本文采用的双调Q晶体热退偏补偿谐振腔设计.此腔在原来未经热退偏补偿谐振腔(称为主路)的基础上加一退偏损耗补偿支路,支路包括 /4波片,KD*P电光调Q晶体和曲率半径为-250mm的后腔全反镜,激光光束在支路中的传播方向与偏振片方向成布儒斯特角,对两路中的KD*P电光调Q晶体加同步调Q电压,同步调Q电压通过一个高压信号发生器并联输出分成两路实现,能精确保证两路调Q电压同步.由于激光介质的热致双折射效应,激光束自增益介质出来后为部分偏振或非偏振光,当其经过偏振片后被分解为s和p 偏振光,分别被偏振片反射到支路中和透过偏振片在主路中振荡.当不对两路中的KD*P晶体加 /4波电压时,两路中的振荡光均两次通过 /4波片,产生90!的相位延迟,则支路中的光通过偏振片出射到腔外,主路被偏振片反射出射到腔外,两路均不能11919期 冯永伟等:热退偏损耗完全补偿的千赫兹电光调Q N d Y AG激光器形成振荡,无法输出激光.当对两块KD*P晶体加上 /4波电压时,两路中的振荡光产生180!的相位延迟,偏振方向不改变,则两路中的光分别单独在两个后腔镜和输出镜间振荡,通过输出镜得到激光输出.这样,尽管增益介质存在严重的热致双折射效应,但两个偏振方向的光都能在腔内振荡,形成有效输出,谐振腔的损耗并没有增大,因此该谐振腔设计可以有效地提高激光的输出功率.此种补偿方式与我们前期工作(文献[9])采用的补偿方式(调Q晶体段输出补偿)有所不同,调Q 晶体段输出补偿输出方向为KD*P电光调Q晶体端,并且在偏振片和激光介质中间需放置另外一个 /4波片(工作原理参见文献[9]).其所用热退偏补偿谐振腔中,被补偿的退偏损耗s分量偏振光每往返通过一次 /4波片和YAG增益介质后,大部分能量被转换成p分量偏振光而成为有效激光输出.经过多次往返,热退偏损耗就被完全补偿,并输出单一偏振(p分量)的激光脉冲.而本文中所用热退偏补偿谐振腔,两支路谐振腔参数完全一致,并允许s偏振分量和p偏振分量同时独立振荡,每次振荡s分量和p分量偏振光均能形成有效输出,热退偏损耗一次得到补偿.但是由于增益介质退偏效应的存在,两个偏振分量在增益介质内发生相互耦合,最后形成无规偏振输出.此激光器结构能同时进行热退偏和热透镜补偿,提高激光输出能量,尽管多了一条补偿支路,激光器结构仅比直线腔略显复杂.3 实验结果为了研究热致双折射的影响和两种热退偏补偿方式的效果,分别测量了对未经热退偏补偿的传统激光器、调Q晶体段输出补偿谐振腔和本文所用的非偏振输出热退偏补偿谐振腔的输出功率、偏振态、发散角和脉冲波形.实验中准连续激光二极管阵列侧向环绕抽运Nd YA G晶体,工作重复频率为1kH z,驱动电流脉冲宽度为200s,Q开关的重复频率也为1kH z.图3为实验获得的在不同抽运能量下三种调Q 谐振腔结构和图1结构静态空腔(D)(谐振腔内只存在增益介质)状态下的输出激光脉冲能量.从图3中可以看出,当抽运脉冲能量最大为307mJ时,未热退偏补偿的谐振强输出脉冲能量为15mJ(A),调Q晶体段偏振输出热退偏补偿激光器输出为21.9mJ(B),非偏振输出热退偏补偿激光器图3输出激光脉冲能量A:未热退偏补偿谐振腔;B:调Q晶体端输出补偿谐振腔;C:非偏振输出热退偏损耗补偿谐振腔;D:空腔静态Fig.3Output pulse ener g yA:output w ithout compensation of thermally induced depolarization;B:com pensated output from Q sw itch ed crystal side;C:un polariz ed output w ith th ermally induced depolarization loss compensated;D:cavity of static ou tput输出为26.2mJ(C),两种补偿方式比不补偿情况下的输出分别提高了46%和74.7%.在最高抽运能量时,未经热退偏补偿的谐振腔光 光转换效率为4.9%,两种补偿方式分别为7.1%和8.5%.对偏振度进行测量,发现在最大抽运能量下,输出光束的偏振度相差明显:未经热退偏补偿的谐振腔为4 1,调Q段输出热退偏补偿时为10 1,而激光介质段输出的非偏振输出热退偏补偿时为1 1.通过分析图3的实验结果可以看出,空腔静态输出的单脉冲能量和经过本文所用热退偏损耗补偿谐振腔输出的调Q 单脉冲能量之比为1.7 1,充分显现了热退偏补偿的效果.分析输出激光光束偏振特性可以看出,由于激光介质严重的热致双折射效应,激光通过增益介质之后偏振度明显下降,在未补偿谐振腔内,p偏振光单次通过增益介质后输出部分偏振光;调Q晶体段偏振输出热补偿方式能够保持较高偏振度的激光束输出,而非偏振输出热补偿方式获得偏振度为1 1的非偏振光.实验中,对谐振腔输出激光束的发散角进行测试,该平 凸谐振腔结构在最大抽运条件下,其光束远场发散角全角为1m rad,说明本文设计的结构同时将增益介质的热透镜效应做了有效的补偿,保证了激光的光束质量.图4(a),(b)为未热退偏补偿腔、非偏振输出热退偏补偿腔在抽运能量为307m J时的激光调Q脉冲波形,其脉宽分别为14.4ns和33ns.热退偏补偿谐振腔激光脉宽得到展宽的原因是由于进行了热退1192中 国 激 光 34卷图4抽运能量为307mJ时的脉冲(a)未热退偏补偿输出;(b)激光介质段输出补偿输出Fig.4Pulse at307m J pum p energ y(a)output with ou t com pens ation of th ermally indu ced depolarization;(b)comp ensated output from the las er crys tal side偏损耗补偿,使得谐振腔损耗下降明显.受实验条件限制,实验中激光二极管抽运能量比较小.当激光二极管抽运能量进一步提升,伴随着激光输出能量的增大,调Q激光脉冲宽度有望进一步压缩.4 结 论针对高重复频率高功率抽运下N d YAG中存在严重的热致双折射和热透镜效应的特点,设计出了非偏振输出的、能同时实现热透镜和热退偏补偿的双电光调Q Nd YAG激光谐振腔.实验测量了激光输出脉冲能量、激光偏振度、发散角、脉宽和脉冲波形,并对未经热补偿的谐振腔、调Q晶体段偏振输出热退偏补偿谐振腔、非偏振输出热退偏补偿谐振腔的激光输出特性进行了比较.通过两种补偿方式,输出能量分别提高了46%和74.7%,三谐振腔光 光转换效率分别为4.9%,7.1%和8.5%.第一种补偿方式偏振度为10 1,第二种补偿方式偏振度为 1 1,为圆偏振光,在只要求输出能量的情况下,第二种补偿方式有着更大的优点,激光远场发散角为1mrad.参考文献1 Yan g Aifen,Bu Yinghua,Chen Dedong e t al..Characteris tic ofliner L Ds side pu mped Nd YAG laser[J].Acta Op tica S inica, 2004,24(5):633~640杨爱粉,卜英华,陈德东等.线阵激光二极管侧面抽运Nd YAG激光器特性研究[J].光学学报,2004,24(5):633~640 2 Wang Tao,Yao Jian qu an,Li Xifu et al..T he study on quasiCW Nd YAG intracavity frequ ency doubled g reen lasers[J].J.Optoele ctr onics#Laser,2002,13(6):575~577王 涛,姚建铨,李喜福等.准连续Nd YAG倍频高功率绿光激光器的研究[J].光电子 激光,2002,13(6):575~5773 R.Fluck,M.R.H ermann,L. 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高功率激光谱合成系统中热效应的分析随着科学技术的不断进步，激光技术在各个领域发挥了重要作用，并受到了广泛应用。

激光技术具有高能量、高精度、高速度等特性，在激光制造、激光加工和激光检测等方面有着重要的应用价值。

高功率激光谱合成系统由Pulse Position Modulator（PPM）驱动，其中包括多种激光器，如半导体激光器、氦氖激光、晶体激光等。

这样的复合激光源可以产生宽谱或窄谱，并且具有很高的能量和功率。

然而，这种复合激光源也存在一些问题，其中最大的问题之一是热效应。

在激光器的加热过程中，激光器会吸收大量的热量，从而导致激光器本身温度升高，使激光器的输出受到影响。

因此，对高功率激光谱合成系统中的热效应的分析变得尤为重要。

在对高功率激光谱合成系统中的热效应进行分析时，需要考虑激光器的特性、元件特性以及运行模式。

首先，针对激光器的特性和性能，关注激光器类型、激光功率、激光波长和激光脉宽等因素，这些因素会影响激光器内部温度及激光输出功率。

其次，关注激光器受控系统中元件的种类和数量，以及它们之间的热量传输关系。

最后，考虑激光器的运行模式，确定激光器的运行模式是否正确，以及激光器的散热系统是否合理。

另外，在高功率激光谱合成系统中，航空时间的变化也会对其热效应产生影响，航空时间间隔越短，激光器的负载也越大，从而会加剧其热效应。

此外，激光器负载的大小也会影响激光器的热效应，激光器负载越大，激光器表现出的热效应就越强烈。

因此，在高功率激光谱合成系统中，应尽可能避免热效应的发生。

为此，研究人员需要对激光器的功率、波长、脉宽进行理性调整，并且需要改善激光器的驱动系统，提高其运行稳定性。

另外，需要注意航空时间点的设定，避免航空时间间隔过短，使激光器受到过大的负载。

另外，需要改善激光器的散热系统，降低激光器内部温度，从而降低热效应的发生。

总之，对于高功率激光谱合成系统中的热效应，需要从激光器的特性、运行模式、航空时间的变化以及激光器的散热系统等角度，仔细分析热效应的发生原因，从而有效地避免热效应的发生。

第16卷　第5期强激光与粒子束Vol.16,No.5 2004年5月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS May ,2004　文章编号:100124322(2004)0520571204高功率激光系统中全息“热像”效应Ξ谢良平1,2,　粟敬钦2,　景　峰2,　赵建林1,　王文义2,　王　逍2,　彭志涛2(1.西北工业大学应用物理系,陕西西安710072;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘　要:　对高功率激光系统中存在的一种类似于小尺度自聚焦的非线性过程———“热像”效应进行了理论分析和模拟计算。

当一束经过遮光物调制的激光光束通过非线性介质后,在随后的光路上将产生一个亮点,即“热像”。

“热像”处的光强比背景光强大几倍,因此位于“热像”附近位置的光学元件很可能遭受损伤。

从全息成像的角度对“热像”的形成过程进行了分析。

结果表明:“热像”的位置处于以非线性介质为中心与遮光物大约对称的地方,“热像”的光强是原始光强的(1+B )2倍。

计算机模拟与理论计算结果吻合较好,验证了上述结果。

关键词:　热像;　全息成像;　非线性自聚焦;　光学损伤;　高功率激光 中图分类号:　O437.5 文献标识码:　A 在高功率激光系统中,强激光通过介质时所出现的非线性自聚焦现象是一个阻碍高功率激光驱动器负载提高及使光束质量变坏的重大问题[1～3]。

自聚焦危害性很大,因为它使光束因小的位相或振幅调制而变得局部不稳定,进而使光束分裂成一根根强度非常高的细丝,导致激光介质的局部破坏。

“热像”这类特殊的非线性自聚焦现象,是在上世纪80年代,美国利弗莫尔国家实验室(LLNL )的科研人员在研究NOVA 装置时发现的。

令人们困惑的是,即使激光器运行在系统损伤阈值之下,在一些位置处的光学元件也可能遭受损伤。

这类损伤具有小尺度自聚焦的所有特征,仅在高功率激光器中现象明显,而且不易追迹。

新型光学谐振器和热透镜效应Thomas Graf Rudolf Weber, and Hei nz-P Weber Beme Sidlerstrasse 5 大学，CH - 301 2 Beme,瑞士应用物理研究所,概要激光谐振腔支持稳定的振荡的最大功率范围主要是由活性介质（热）材料常数和冷却方法所决定。

通过控制稳定的基本模式操作的功率范围，可以转移到更高的能量，具有特殊的腔设计和腔内光学但稳定范围的宽度不会受到影响。

此外，在泵的活性介质强度增加也加剧了非球面元件的热诱导的扭曲。

因此，开发新颖的谐振器时，分析这些热效应具有重大意义。

我们目前对热诱导的扭曲，一种新型的多棒激光腔，变量配置的谐振器（VCR ）进行分析。

对热效应进行了数值模拟和实验的研究。

我们目前对各种抽水和冷却方案进行比较后发现复合棒端面泵浦激光器提供最有效的冷却。

VCR被开发调控基本模式激光器的功率范围。

由于其能力作为法布里-珀罗谐振器，它克服了稳定性与传统的多棒谐振器相关的问题，并允许一个新的Q开关技术作为一种环形腔运行。

关键词：固态激光器，二极管泵浦激光器，光学谐振器，热透镜效应，热致双折射。

1.介绍二极管泵浦固态激光器，有着广泛的工业和科学应用。

二极管激光器价格的不断下降，应用正在扩展到高功率范围。

此外，泵浦方式的改善使二极管激光辐射高效和紧聚焦到激光材料。

由于大量吸收功率，这将导致强烈的局部加热。

因此，在固态激光材料的热效应已经获得了相当高功率，半导体激光泵浦全固态激光器作为一个发展中的关键问题的重要性被提高。

选中激光材料后，热效应只与冷却的方法有关，然后必须采用适当的谐振器设计。

我们在下面的实验和数值调查报告二极管激光的热效应泵浦全固态激光器和特殊的光学谐振器的发展。

热透镜效应和应力引起的双折射用于比较四种不同的冷却技术。

完全验证的数值有限元（F日代码，它也适用于区分不同的热透镜效应的贡献-比如弯曲的表面和折射率变化与温度和应力性曲折分析高功率激光器的功率调整的极限。