Yb:YAG板条激光器谐振腔设计与光束质量测量

为了提高二极管抽运Yb:YAG/YAG复合板条激光器的输出光束质量,研究了复合板条内的热透镜效应,分析了复合板条在宽度和厚度方向的热透镜焦距,以及热透镜对谐振腔模式的影响,设计了混合谐振腔,并对该谐振腔输出光束质量进行了分析。采用角抽运复合板条方法,实现了千瓦级Yb:YAG/YAG复合板条激光器连续运转。采用CCD照相法测量了输出激光的光束质量,在500W连续输出时,光束质量M2因子在板条宽度方向和厚度方向分别优于20和5。实验结果表明,在复合板条激光器中可以采用混合谐振腔获得较好光束质量的激光输出。     

LD角抽运Nd:YAG/YAG复合板条激光器热焦距分析

为了研究LD角抽运复合板条激光器的热焦距情况,采用有限元方法求解了LD角抽运 Nd:YAG/YAG 复合板条晶体的热焦距,得到了该晶体的理论温度分布模型和理论热焦距。此外,采用CCD探测法在未出激光的条件下测量了该复合晶体,得到了实验热焦距,并对实验结果和理论计算结果进行了比较。实验中得到的热焦距变化规律与理论计算基本一致。结果表明,这为进一步改善LD角抽运复合板条激光器输出光束质量,以及提高输出功率提供了必要的理论基础。     

纵向抽运准三能级Yb:YAG激光器的理论模型及实验研究

在激光谐振腔中,边缘冷却的激光晶体中存在着温度梯度分布,从而使激光晶体等效为一个热透镜.热透镜效应对固体激光器的性能影响很大.由于热透镜效应,振荡光光斑半径会随抽运光功率及激光谐振腔腔型结构的变化而变化,这将影响输出光功率的大小.在考虑振荡光光斑半径随抽运光功率及谐振腔变化的情况下给出了速率方程的表达式,并采用数值方法求解.由理论分析可知,输出光功率与抽运光功率及谐振腔腔型结构有关.在相同的抽运功率下,腔型不同输出光功率不同.采用930 nm纵向抽运,发射光波长1030 nm的准三能级Yb∶YAG晶体在三种不同腔型结构下进行实验,实验结果表明腔型结构对激光输出功率影响很大.实验结果与模拟符合较好.     

激光二极管抽运的高光束质量的Yb

演示了激光二极管(LD)端面抽运Yb∶YAG薄片固体激光器,抽运源是美国相干公司(COHERENT)光纤耦合输出半导体激光器,光纤输出芯径为800 μm,在940 nm处最大输出功率为13.56 W,由于光纤输出芯径较大,不利于抽运光和振荡光的模式匹配,为了得到较小的抽运光斑,采用了焦距比为30∶12的耦合透镜组压缩入射到晶体端面的抽运光光腰半径,晶体为原子掺杂浓度8 at.-%,几何尺寸为φ7 mm×1.6 mm国产Yb∶YAG晶体,整个实验装置采用温差电致冷(TEC)和循环水冷却方式,实验中得到了3.06 W的连续激光输出,激光器的斜率效率为33.1%,测得M2因子在x和y方向分别为1.54和1.73,具有良好的光束质量。     

激光二极管抽运的高光束质量的Yb∶YAG薄片激光器

演示了激光二极管(LD)端面抽运Yb∶YAG薄片固体激光器,抽运源是美国相干公司(COHERENT)光纤耦合输出半导体激光器,光纤输出芯径为800μm,在940nm处最大输出功率为1356W,由于光纤输出芯径较大,不利于抽运光和振荡光的模式匹配,为了得到较小的抽运光斑,采用了焦距比为30∶12的耦合透镜组压缩入射到晶体端面的抽运光光腰半径,晶体为原子掺杂浓度8at.%,几何尺寸为7mm×16mm国产Yb∶YAG晶体,整个实验装置采用温差电致冷(TEC)和循环水冷却方式,实验中得到了306W的连续激光输出,激光器的斜率效率为331%,测得M2因子在x和y方向分别为154和173,具有良好的光束质量。     

双端抽运双Nd∶YVO4连续绿光激光器

为了提高半导体激光器抽运的全固态激光器的输出功率与光-光转换效率,设计并使用了双端抽运双Nd∶YVO4绿光激光器.通过激光晶体温度场特性的研究以及依据光束的传输矩阵,分析了双激光晶体热透镜效应对于谐振腔稳定性的影响,设计了双端抽运双激光晶体折叠腔.在双端抽运双Nd∶YVO4绿光激光器系统中,LBO晶体采用了Ⅰ类非临界相位匹配腔内倍频方式,当抽运光功率为26.56 W时,获得了5.5 W的稳定连续绿光输出,其光-光转换效率为20.7%.结果同时表明,在谐振腔内插入双激光增益介质,不仅可以提高激光器的光-光转换效率,而且两个激光晶体热透镜效应相互作用的结果可以增强谐振腔的稳定性.     

激光二极管抽运Nd:YAG双薄片激光器

激光介质的热效应是高平均功率固体激光器面临的最大挑战,采用薄片激光介质是解决热效应的有效手段之一。当在抽运区尺寸远大于薄片厚度并且抽运光均匀分布的条件下,热流近似为沿厚度方向的一维分布,从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。设计了四通光学耦合系统,通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性,并优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。采用两片1 mm厚的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个峰值功率2000 W,占空比为15%的二极管激光器阵列抽运下,获得了峰值功率1440 W,平均功率216 W的准连续激光输出,光光转换效率达到36%,电光转换效率超过16%,在稳腔下测得的光束质量M2 因子约为12×13。     

激光二极管抽运Nd∶YAG双薄片激光器

激光介质的热效应是高平均功率固体激光器面临的最大挑战,采用薄片激光介质是解决热效应的有效手段之一。当在抽运区尺寸远大于薄片厚度并且抽运光均匀分布的条件下,热流近似为沿厚度方向的一维分布,从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。设计了四通光学耦合系统,通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性,并优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。采用两片1 mm厚的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个峰值功率2000 W,占空比为15%的二极管激光器阵列抽运下,获得了峰值功率1440 W,平均功率216 W的准连续激光输出,光光转换效率达到36%,电光转换效率超过16%,在稳腔下测得的光束质量M2因子约为12×13。     

Yb∶YAG陶瓷强化Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器性能研究

报道了通过键合Yb∶YAG激光陶瓷来强化Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器激光性能的研究结果。实现了Yb∶YAG/Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器的激光输出。当吸收抽运功率为7.1W时获得了0.53W的自调Q激光输出,对应的光-光转换效率为7.5%。在实验中获得了脉冲能量大于25μJ、脉冲宽度小于3ns、峰值功率高达9kW的自调Q激光脉冲输出。同时研究了输出耦合镜透射率对Yb∶YAG/Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器激光性能的影响。     

耦合系统的成像质量对端面抽运固体激光器的影响

耦合光学系统是端面抽运固体激光器中不可缺少的部分,其成像质量的优劣直接影响到激光器转换效率的高低.以激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4/LBO 457 nm蓝光激光器为例,分别采用两种不同结构的准直聚焦透镜组合作为耦合光学系统,分析其对抽运光的成像情况以及对端面抽运固体激光器光束质量和输出功率的影响,在激光器的抽运功率和谐振腔的参数完全相同的情况下,改进的四片式耦合光学系统使激光器输出的光束质量得到了明显改善,同时极大地提高了倍频输出功率,在30 W的抽运功率下,得到了4.3 W的连续457 nm蓝光激光输出,光-光转换效率达到13.7%.     

激光二极管抽运的高光束质量的Yb:YAG薄片激光器

演示了激光二极管(LD)端面抽运Yb:YAG薄片固体激光器,抽运源是美国相干公司(COHERENT)光纤耦合输出半导体激光器,光纤输出芯径为800μm,在940 nm处最大输出功率为13.56W,由于光纤输出芯径较大,不利于抽运光和振荡光的模式匹配,为了得到较小的抽运光斑,采用了焦距比为30:12的耦合透镜组压缩入射到晶体端面的抽运光光腰半径,晶体为原子掺杂浓度8 at.-%,几何尺寸为φ7mm×1.6 mm国产Yb:YAG晶体,整个实验装置采用温差电致冷(TEC)和循环水冷却方式,实验中得到了3.06 W的连续激光输出,激光器的斜率效率为33.1%,测得M2因子在x和y方向分别为1.54和1.73,具有良好的光束质量.     

基于热致双焦点选模的径向、切向偏振激光器

侧抽运Nd∶YAG棒对径向偏振光和切向偏振光具有不同的热焦距,利用He-Ne激光器输出的线偏振光和旋转狭缝测量Nd∶YAG棒的径向、切向热焦距,设计谐振腔使得只有一种偏振光能低损耗稳定振荡。在440 W抽运功率下,获得31.7 W径向偏振激光,光束质量因子M2约为2.5,调整腔长后,在470 W抽运功率下,获得30.2 W切向偏振激光,光束质量因子M2约为2.8。实验结果表明,利用热致双焦点选模可以获得较大功率的径向、切向偏振激光输出,但激光器对抽运功率敏感。     

热退偏损耗完全补偿的千赫兹电光调Q Nd:YAG激光器

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1 kHz激光二极管(LD)侧向抽运高平均功率电光调QNd∶YAG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307 mJ时,激光输出能量达到26.2 mJ,光-光转换效率为8.5%,光束发散角为1 mrad.     

稳腔固体激光器运转时热透镜焦距的测量

给出一测量激光二极管 (LD)端面抽运固体激光器稳态运转时腔内激活介质热透镜焦距的简便方法。采用混合模类高斯光束描述激光器输出镜后的光场分布 ,通过一狭缝在不同位置横向扫描光场来测得光束的光斑尺寸和描述光束的质量因子M2 ,根据混合模类高斯光束传播规律推导出光束的束腰及在相同激光器参数下对应的基模高斯光束束腰的大小 ,由此利用稳定谐振腔标准传输矩阵理论可得到相应的激光介质的热透镜焦距。基于上述测量原理 ,对LD端面抽运Nd∶YVO4 固体激光器热透镜焦距进行了测量 ,实验结果和理论分析相符。     

棱边倒角面抽运热键合平板波导固体激光器

采用晶体热键合方法加工制作了YAG/Nd:YAG/YAG单包层平板波导,波导晶体几何尺寸为12 mm×5 mm×1 mm,其中中心掺杂层Nd:YAG厚度约为0.2 mm,对称外包层YAG厚度约为0.4 mm。采用一种新的抽运方法—棱边倒角面抽运方法对晶体进行抽运:波导晶体的一条12 mm长棱边加工成大小为12 mm×0.3 mm的倒角面,快轴准直抽运激光二极管(LD)发出的抽运光经聚焦后从倒角面入射进入晶体,抽运吸收效率约为82%。激光器谐振腔采用平-平腔,其中全反镜直接在波导晶体端面镀高反膜实现,输出镜尽可能靠近晶体另一端面,腔长约12mm。当输出镜透射率为6.6%,激光二极管抽运光功率约为49.5 W时,得到输出激光功率13.6 W,光-光转换效率约27.5%,导波方向光束质量M2因子1.9。激光器实现了较高的光-光转换效率和较好的导波方向光束质量。     

热透镜效应补偿的高功率Nd:YAG激光器的优化设计

为了获得高功率、高光束质量的1064nm激光,采用凹透镜作为补偿透镜来补偿激光棒的热透镜效应。对补偿透镜的选取进行理论分析,并使用所设计的包含补偿透镜的平平谐振腔Nd:YAG激光器进行了实验验证。在实验中,使用焦距为250mm的凹透镜、透过率为30%的输出耦合镜,获得了55W的高功率、高光束质量的1064nm激光输出。结果表明,此项研究对高功率、高光束质量激光器谐振腔的设计是有帮助的。     

CCD测量LD端面抽运Nd∶GdVO_4固体激光器热焦距

为研究Nd∶GdVO4晶体在激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中的热效应,给出了一种测量激光器稳态运转时腔内激活介质热透镜焦距的简便方法。采用CCD光束分析仪直接测量输出光束的M2因子及束腰大小,根据混合模类高斯光束传输理论推导出相应的基模高斯光束束腰大小,由此利用稳定谐振腔的传输矩阵理论可得到相应的激光介质的热焦距。实验结果表明,抽运功率越高,热焦距越小,热效应对输出光束质量影响越严重。基于上述原理,对LD端面抽运的Nd∶GdVO4固体激光器热透镜焦距进行了测量,实验结果和理论分析相符。     

平均功率达300 W的LD抽运Nd:YAG激光器

针对大功率连续激光二极管抽运的Nd:YAG圆棒状固体激光器中激光输出功率与光束质量的关系问题进行了深入的理论和实验研究.在二极管侧面抽运条件下,通过优化抽运腔的结构设计以提高抽运的均匀性和对抽运光的吸收效率:在激光谐振腔内采用双棒结构,通过优化激光谐振腔的设计来补偿热透镜效应;在双棒之间插入偏振旋光器和光学成像系统,以补偿热致双折射效应.当每个抽运腔采用30个20W的连续激光二极管阵列抽运,总抽运功率达1200W时,实现了最大平均功率为300W,光-光转换效率为25%的激光输出.在此基础上进行声光调Q,获得了重复频率为15KHz,脉宽为110 ns,平均功率为240 W,光束质量M2为18的调Q基频激光的输出.     

侧面抽运国产Nd∶YAG陶瓷棒的激光特性

实验研究了激光二极管阵列(LDA)侧向抽运国产Nd∶YAG陶瓷棒的准连续及被动调Q激光输出特性。该陶瓷激光器采用LDA侧面紧密环绕均匀排布的抽运结构,陶瓷棒抽运区域长度为20 mm,其总尺寸为3 mm×35 mm,掺杂原子数分数为~1%。在千赫兹准连续运转条件下,当平-平谐振腔的输出耦合镜透过率为47.3%时,获得最大平均功率23 W的1064 nm激光输出,光束发散角为4.5 mrad,斜率效率达12%。在谐振腔内插入Cr4 ∶YAG晶体作为被动调Q开关,成功地实现了陶瓷激光器千赫兹重复频率调Q激光脉冲输出,当Cr4 ∶YAG晶体初始透过率为60%时,输出激光脉冲宽度(半峰全宽)可窄至14.5 ns,调Q动静比约为40%。     

双棒串接补偿热致双折射效应激光谐振腔

固体激光器中的热致双折射效应严重地限制了基模输出功率的提高,为了获得大功率高质量的激光输出,需要对热致双折射效应进行补偿.在理论上对双棒在腔内串接补偿热致双折射效应的条件进行了改进,通过设计合理的腔结构和腔内元器件,应用4f成像系统空间滤波器并考虑石英旋光器的厚度,使得腔内光束的退偏率降至2.5%以下.使用矩阵光学的方法简化了对含有这样一个复杂光学系统的谐振腔稳定性和腔内光束半径等特性的分析.通过在腔内加入一个正透镜来扩大基模体积,实验中在双氪灯连续抽运Nd∶YAG激光器中得到了61 W线性偏振的激光基模输出,表明在大基模体积谐振腔的设计中,双折射效应的补偿十分必要.