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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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26.56W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。     

高斯变反镜改善板条激光器光束质量的研究

在实验中对比研究了稳腔和高斯变反镜非稳腔两种腔型。采用尺寸为66.7 mm×11 mm×1.7 mm板条Nd∶YAG增益介质,泵浦功率860 W条件下,稳腔获得196 W的激光输出,Mx2=2.47,My2=38.6;高斯变反镜非稳腔获得102 W激光输出,Mx2=2.34,My2=6.48。实验结果表明高斯变反镜非稳腔明显改善了板条激光器宽度方向的激光输出光束质量。     

端面泵浦Yb∶YAG表层掺杂陶瓷板条激光器

报道了一种激光二极管端面抽运的Yb∶YAG表层掺杂陶瓷板条激光器,研究了其激光输出特性。建立了Yb∶YAG陶瓷表层掺杂板条激光输出模型,理论分析了Yb∶YAG陶瓷板条的输出能力。在谐振腔实验中,采用2 Hz低重频、抽运脉宽为1 ms的激光进行双端端面抽运。单脉冲总能量达到10 J时,获得了3.035 J的单脉冲激光输出,其光光转换效率为30.4%,最大斜率效率为42.0%。     

非稳腔大功率绿光激光器的研究

为了提高激光的光束质量和提供准直的平行光束,为抽运钛宝石提供优良的大功率的绿光抽运源,对激光二极管侧面抽运Nd:YAG声光调Q腔内倍频固体激光器进行了研究.实验中采用凸平直线非稳腔,将凸面镜和增益介质热透镜效应等效为望远镜系统进行分析.由实验可知,凸平非稳腔具有较大模体积、良好的稳定性等优点;利用二类相位匹配的磷酸钛氧钾晶体进行腔内倍频,当抽运功率为200W时,获得脉宽109ns、重复频率9.3kHz、发散角小于2mrad的42W绿光输出,光光转换效率达到21%,24h长时间的工作,不稳定性小于2%.结果表明,利用非稳腔腔型,在侧面抽运的模块中可以实现高效的大功率绿光输出.     

全固态单模Nd:YAG激光器输出特性优化的实验研究

为了实现高功率全固态激光器的高输出光束质量,使用1mm直径Nd:YAG激光棒和单一二极管激光模块侧面抽运的简单激光腔设计来实现功率高于10W、光束质量接近衍射极限的TEM00模输出。通过使用小口径激光棒抑制高阶横模振荡、曲面后反镜和负透镜组合补偿热透镜效应和实验优化后反镜的曲率半径、负透镜的焦距以及激光腔腔长等结构参数使激光器输出功率和光束圆率同时达到最大,实现了平均功率10.8W、脉冲宽度15ns、光斑圆率98.8%±0.8%、M2值为1.1的近衍射极限光束输出。结果表明,通过使用小口径激光棒提高激光器输出光束质量工程上可行。     

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.     

连续16 W二极管端面泵浦混合腔Nd:YVO4板条激光器

在半导体泵浦的固体激光器中,激光晶体的热效应在很大程度上影响了激光器的能量输出和光束质量.为减小激光器中的热效应,介绍了用LD端面泵浦板条(slab)激光晶体,结合稳腔-非稳腔混合腔型(hybrid resonator)实现的板条激光器.在腔长为50 cm的情况下,得到了16 W连续输出,高泵浦功率时斜效率达到59%,同时进行了稳腔方向的热效应分析.     

新型板条激光器的离轴混合腔模场计算

报道了一种新型双板条离轴混合腔激光器。这种激光器结构通过改变传统的冷却方式和采用特殊的谐振腔设计，将使从第一块介质板条高温一侧出射的激光对称地进入另一块板条的低温一侧，从而可对由于温度分布不均匀造成的波面畸变进行一定程度的自校正，减少热效应的影响，可望提高激光器的输出功率和光束质量。利用快速傅里叶变换（FFT）对这种激光器的近场、远场以及相位等模场特性进行了数值计算。分析了波面畸变对输出光束质量的影响，并与常规双板条激光器进行了比较，结果表明这种新型双板条离轴混合腔激光器可以实现一定程度的波面畸变自补偿，从而获得更好的输出光束质量。     

绿光输出达85W的全固态绿光激光器谐振腔研究

报道了对平均功率达85 W的高功率、高稳定性全固态绿光激光器谐振腔特性的研究,将高平均功率运转条件下的KTP倍频晶体的热透镜效应等效为一个薄透镜,利用ABCD传输矩阵,通过图解方法定性地讨论了KTP晶体的热透镜效应对谐振腔的稳定性和腔内激光模式的巨大影响,理论分析表明适当大小的倍频晶体热透镜焦距不但可以有效地补偿Nd:YAG棒的热透镜效应,而且对增大激光介质中的模体积和在倍频晶体处提高功率密度都有积极作用.实验中采用了80个20 W的高功率半导体激光器侧面抽运的单Nd:YAG棒、两个声光Q开关、高效平-凹谐振腔结构、对大尺寸KTP晶体进行角度偏离法补偿相位失配等技术,并通过对KTP晶体采取适当的冷却方式,最终实现了高功率内腔倍频激光器的高稳定性运转;在抽运功率约为1080 W时,实现了重复频率为20.4kHz,脉冲宽度230 ns,输出功率达85 W的高功率、高重复频率绿光(532 nm)输出,不稳定性仅为士1.03%.     

Determination of the thermal lens in solid-state lasers with stablecavities

A useful method to determine the thermal lens in a thermally loaded material inside a laser resonator under operation is presented. The laser beam emitted is focused with a lens placed exactly at the distance of its focal length behind the output mirror. For stable spherical resonators this focusing is not astigmatic even for an astigmatic cavity. This fact is used to experimentally determine the thermal lens including the beam quality factor (beam propagation factor) M² of the laser beam. Measurements are presented for an end-pumped rod and a longitudinally pumped slab laser serving as an example for an astigmatic cavity