改善高平均功率固体激光器光束质量的研究

( 即棒孔径) 成正比。
多横模振荡与基模振荡光束之间满足
mi = ( m + 1/ 2) 1/ 2 0i
( 15)
mi = ( m + 1/ 2) 1/ 2 0i
( 16)
其中 m 为矩 形孔径( Gaussian-Hermit funct ions) 下的横 模阶次, 在圆形孔 径( Gaussian-La-
端面效应小于6% 。
由( 2) 式可见
f
=
M
P
in
1
( 3)
即热焦距正比于泵浦功率。
1. 2 内含热透镜的激光谐振腔理论分析
1. 2. 1 内含热透镜的激光谐振腔模型 内含热透镜的激光谐振腔模型
见图1, 可以用五个参数表征谐振腔
特性[ 2, 3] :
D ——热透镜屈光度, D=
1 f
1, 2 —— 腔镜曲率半径
An Investigation on the Improvement of the Beam Quality of High Average Power Solid-State Lasers
Zhao Changming, Wei Guanghui
( Dep artment of Op t oel ectr oni c E ngineering , Beij ing I nstitute of T echnol ogy , B eij ing, 100081)
/
i)
i)2 +
g
* i
(1
-
g
* 1
g
* 2
)
( 11)
1997年10月 赵长明等: 改善高平均功率固体激光器光束质量的研究
53
2 0i
=
0
g
* j
(
L
*
/
i)2 +
g
* i
(1
-
g
* 1
g
* 2
)
L*
[
g
* 1
g
* 2
(
1
-
g
* 1
g
* 2
)
] 1/ 2
( 12)
L 0i是束腰距腔镜 i 的距离, L 0i > 0表示束腰位于腔内, L 0i< 0表示束腰在腔外。 在主平面处的光束半径为
2 0L
=
2 0i
[
1
+
( di -
L
0i
)
2/
Z
2 Ri
]
( 13)
ZRi为 R ay leig h 距离
ZRi =
/2
0i 0
( 14)
1. 2. 3 多横模运转
高平均功率固体激光器一般运转在多横模振荡状态以获得大模体积和高平均功率输出,
此时往往以棒孔径做为限模孔径, 而棒孔径远大于基模光束直径, 此时光束发散角与限模孔径
g
* i
=
gi -
Ddj( 1 -
di/
i)
( 5)
以等价腔长和等价曲率半径表征的
g
* i
参数为
g
* i
=
1-
L* /
* i
( 6)
L * = d1 + d 2 - D d1d2
( 7)
* i
=
iL* / ( Ddj i + L* )
( 8)
采
用
g
* i
参数可以将内含热透镜腔等价为两镜空腔, g* 参数确定透镜腔在 g 参数稳区图
赵长明: 男, 1960年7月生, 1993年9月于天津大学获工学博士学位, 现在北京理工大 学光电工程系从事博士后研究。曾从 事过光谱仪器及激发光源、激光非晶化用于耐腐蚀表面、脉冲掺钛蓝宝石 激光器、激光生物效应等项研究, 发表 过多篇论文, 目前工作方向为改善高平均功率固体激光器的光束质量。
收稿日期: 1995- 12- 02; 收到修改稿日期: 1996- 11- 07
向非稳腔转变的关节点。当 0L > r 0, 意味着衍射损失急剧增大, 最终使激光振荡停止。对一个
给定的谐振腔, 其光束发散角的最大值与最小值分别为
Abstract An analy sis met ho d f or laser resonat or w it h an internal t herm al lens has been summ ar ized in t he paper. T he t hermal eff ect of laser medium , especially t he asy mmet ric aberrat ion of t her mal lens, are t he main f act ors t hat inf luence t he beam quality o f high aver ag e pow er sol id-st at e lasers. T he appr oach fo r im pro ving beam quality is t o compensate or correct t herm al lens aberrat ion and let t he beam qualit y reach t he t heoretical value of incoherent m ult i-mo de oscillatio n. T he beam qualit y o f a novel resonat or—f our mirror non-misalignment reso nat or has been invest igat ed exper im ent ally. T he result s show an obvious im pro vement compared wit h t he beam
上的位置。具有相同 g 参数和等价腔长的空腔与透镜腔在腔镜上具有相同的光斑半径
2 i
=
0L *
g
* j
1/ 2
g
* i
(1
-
g
* 1
g
* 2
)
( 9)
但在腔内其它位置上, 两者光束形状是不同的。一般情况下, 空腔中只有一个束腰, 而透镜腔内 有两个高斯光束束腰, 其间满足透镜变换关系。两端输出光束随热透镜焦距的变化关系是不同
引 言
高平均功率固体激光器( 目前最常用的是 Nd YAG 激光器) 以其波长短、易于光纤传输、 峰值功率高、结构紧凑坚固等特点在军用( 如测距、目标指示、致盲、光电对抗) 和民用( 如切割、 焊接、热处理、打标、划片和微调) 领域有广泛的用途。
光束质量问题是制约其发展的主要因素, 随着固体激光器输出功率的不断提高, 这一问题 更加突出, 正在引起越来越多的关注。各国激光工作者在注重提高输出功率的同时, 把目光转 移到提高光束质量中来。深切割、打孔和高效倍频需数倍衍射极限光束, 而用于光纤传输要求 40～200倍衍射极限的光束。视光纤数值孔径不同, 对光束质量的要求也不同。光束质量越高, 就可用越细、越柔软、弯曲性能越好的光纤传输, 给应用带来方便, 并改善加工质量。
度分布为[ 1]
T ( r ) = T ( r 0) +
Q 4K
(
r
2 0
-
r2)
( 1)
其中 T ( r 0) 是棒表面温度, r0 是棒半径。 在考虑了折射率随温度和应力的变化以及棒端面曲率畸变的综合效应后, 热焦距表达式
为
f
=
KA Pa
1 2
dn dT
+
Cr , n30 +
r 0( n0 - 1) - 1 L
第24卷第5期 19 97年 10月
光电工程
Opt o -Elect ro nic Engineering
Vol . 24, No . 5 Oct , 1997
改善高平均功率固体激光器
光束质量的研究
赵长明 魏光辉
( 北京理工大学光电工程系, 北京, 100081)
摘要 本文首先概述了内含热透镜的激光谐振腔的分析方法, 提出影响高平均功率 固体激光器光束质量的主要因素是激光介质的热效应, 尤其是非对称的热透镜象差。 因此, 改善光束质量的途径是补偿或修正透镜象差, 使光束质量达到非相干多模振荡 的理论值。实验研究了一种新型谐振腔——四镜不失调反射镜腔的光束质量, 结果表 明比对应的平—平腔光束质量明显提高, 说明这种腔型在改善光束质量方面有良好 前景。同时也说明上述改善光束质量的思想是正确的。 主题词 固体激光器, 高功率激光器, 光束质量, 象差校正。 分类号 T N 248. 1
在此基础上, 本文叙述了一种新型谐振腔—— 四镜不失调反射镜加 Dove 棱镜腔用于改 善高平均功率固体激光器光束质量的理论分析和实验研究结果。结果表明, 与高平均功率固体 激光器常用的平—平腔相比, 光束质量有明显的提高。
1 内含热透镜的激光谐振腔理论分析
1. 1 热焦距 在均匀泵浦和均匀冷却及忽略端面效应的假设下, 从一维热传导方程可得激光介质的温
一般远小于棒半径。基模稳定振荡时的最小屈光度为
D min = 2d / 2 2r40
( 19)
随泵浦功率的增加, 腔镜上和棒内光束半径下降, 高阶模开始振荡, 发散角增加。当腔镜上光斑
半径降至很小时, 由于衍射作用, 腔内的光束半径反而增加, 高阶模式减少, 最终仅剩基模振
荡。泵浦功率进一步增加, 谐振腔进入非稳状态, 棒中的基模光斑半径等于棒半径是从稳定腔
(
1
-
g
* 1
g
* 2
)
]
[
g
* j
(L*