安然 范小貞 盧建新 文僑

(深圳大學(xué)光電工程學(xué)院,光電子器件與系統(tǒng)(教育部、廣東省)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳 518060)

1 引 言

隨著超短脈沖激光器在激光精密微加工、激光測(cè)量等應(yīng)用領(lǐng)域的推廣[1?4],人們對(duì)激光器功率穩(wěn)定性、光束質(zhì)量等性能指標(biāo)的要求不斷提高.諧振腔是激光器的重要組成部分之一,激光器光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性等性能的優(yōu)劣,在很大程度上取決于激光諧振腔設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞.在固態(tài)超短脈沖激光器中,為了減小激光器的體積,同時(shí)在鎖模器件處獲得足夠的功率密度,人們常采用曲面反射鏡來(lái)折疊諧振腔,光束傾斜入射到曲面反射鏡往往會(huì)引起像散,直接導(dǎo)致激光器光束質(zhì)量下降.與激光器光束質(zhì)量一樣,激光功率穩(wěn)定性也是衡量激光性能的重要參考指標(biāo).固態(tài)超短脈沖激光器輸出功率不穩(wěn)定的主要因素有抽運(yùn)源功率的波動(dòng)、腔內(nèi)晶體熱效應(yīng)[5,6]引起的熱透鏡焦距波動(dòng)、激光器機(jī)械振動(dòng)以及激光模式跳變等,其中增益介質(zhì)熱透鏡焦距波動(dòng)是影響激光功率穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,也是最難克服的因素之一.因此設(shè)計(jì)高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光器諧振腔一直以來(lái)是激光器設(shè)計(jì)者們所期望解決的技術(shù)難題,是提升激光器性能行之有效的方法之一.針對(duì)像散補(bǔ)償、激光熱效應(yīng)引起的功率波動(dòng)問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)外已有不少研究者就這兩個(gè)問(wèn)題單獨(dú)展開(kāi)研究[7?16],主要使用基于ABCD矩陣[7?9]的數(shù)值計(jì)算方式等進(jìn)行了研究.但這些方法用于設(shè)計(jì)激光諧振腔時(shí),需要繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算,而且不夠直觀,很難找出諧振腔的動(dòng)態(tài)變化及設(shè)計(jì)的最佳方案.最近,文僑等提出了采用折疊腔曲面鏡像散相互補(bǔ)償?shù)姆椒?并推導(dǎo)出了折疊腔雙端臂像散補(bǔ)償?shù)慕馕鼋?利用所推導(dǎo)出的解析表達(dá)式,可以設(shè)計(jì)高光束質(zhì)量的激光器.本文同時(shí)考慮像散補(bǔ)償和熱透鏡效應(yīng),采用傳播圓圖解法[14,17,18]找到一種高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光器諧振腔設(shè)計(jì)方法,該方法無(wú)需繁瑣的計(jì)算,直觀清晰,簡(jiǎn)便高效,易于找出激光諧振腔的最佳設(shè)計(jì)方案.利用所設(shè)計(jì)的激光諧振腔,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究該激光器的光束質(zhì)量和功率穩(wěn)定性.

2 設(shè)計(jì)方法

在基于可飽和吸收體的被動(dòng)鎖模超短脈沖激光器中,為了便于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)的漂白,一般要求SESAM處有足夠高的能量密度.設(shè)計(jì)超短脈沖激光器時(shí),一般先根據(jù)實(shí)際情況選定SESAM處的光斑半徑大小ω0.

圖1 基于傳播圓法設(shè)計(jì)的高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光器諧振腔設(shè)計(jì)圖Fig.1.Resonator design of high beam quality and high power stability laser based on propagating circle.

如圖1所示,SESAM位于M0處,其光束參數(shù)b0和光斑半徑ω0之間的關(guān)系可表示為

在M0右側(cè)某一位置傾斜放置曲面反射鏡M1,過(guò)側(cè)焦點(diǎn)F0與光軸相切于M1可畫出圓(π1),此圓直徑表示M1處光斑大小;過(guò)側(cè)焦點(diǎn)F0,同時(shí)與曲面鏡前表面相切可畫一圓,此圓的直徑表示曲面鏡處波前曲率半徑,任意給定曲面鏡M1的焦距f1與傾斜角θ1,則曲面反射鏡在子午和弧矢面的焦距分別為:

根據(jù)透鏡前后高斯光束曲率半徑的關(guān)系

(5)式給出了在Mn鏡出光斑半徑相等的情況下,Mn鏡后光束曲率半徑實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償時(shí),焦距fn與傾斜角θn之間的關(guān)系.以上是利用傳播圓理論,采用圖解法實(shí)現(xiàn)曲面鏡像散相互補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量激光器諧振腔的設(shè)計(jì)方法.

在此基礎(chǔ)上,下面介紹采用圖解法,設(shè)計(jì)出熱透鏡焦距波動(dòng)對(duì)激光功率影響最小的諧振腔,從而實(shí)現(xiàn)激光器的高穩(wěn)定輸出功率.一般情況下,當(dāng)激光增益介質(zhì)采用非布儒斯特角放置時(shí),激光束垂直入射到熱透鏡上,熱透鏡不會(huì)產(chǎn)生新的像散;因此,Mn鏡后的像散仍然可以獲得完全補(bǔ)償.此時(shí),選擇一輸出鏡Mout,當(dāng)輸出鏡的σout圓與熱透鏡處的π圓相切于像方側(cè)焦點(diǎn)時(shí)(此時(shí)π圓與t圓重疊),該諧振腔對(duì)熱不敏感,這是符合高功率穩(wěn)定的激光諧振腔設(shè)計(jì)條件.

接著分析熱透鏡焦距變化時(shí)諧振腔光參數(shù)變化過(guò)程.如圖2所示,當(dāng)輸出鏡Mout的曲率半徑確定后,諧振腔滿足穩(wěn)定腔條件時(shí),不管熱透鏡焦距怎么變化,輸出鏡Mout處的σout圓固定不變;透鏡焦距變化時(shí),σout圓經(jīng)過(guò)熱透鏡的像與π圓交點(diǎn)在Fn附近來(lái)回移動(dòng),在符合高功率穩(wěn)定的激光諧振腔設(shè)計(jì)條件時(shí)(π圓與t圓重疊,圖2中用πft表示),Fn的移動(dòng)是幾乎可以忽略的,因此熱透鏡左側(cè)的光參數(shù)變化也是可以忽略的.相反地,若π圓與t圓不重疊(圖中用表示π圓),對(duì)于輸出鏡σout圓同樣的像圓的像與的交點(diǎn)變化較之前明顯,表示側(cè)焦點(diǎn)變化明顯,即光束束腰變化明顯增大.

圖2 熱透鏡焦距變化動(dòng)態(tài)分析Fig.2.Dynamic analysis of focal length varies with thermal lens.

3 理論分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法,我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖3的激光諧振腔.該諧振腔中各參數(shù)為ω0=40μm,b0=4.7242 mm,L1=53 mm,f1=50 mm,θ1=8?,L2=780.1787 mm,f2=200,θ2=12.258?,這些條件符合高光束質(zhì)量激光器諧振腔的設(shè)計(jì)條件.利用非對(duì)稱平平腔臨界穩(wěn)定條件[14,19,20],我們測(cè)量出在抽運(yùn)電流為10 A時(shí)熱透鏡焦距為ft=800 mm,當(dāng)L3=195.3 mm,輸出鏡選用平面鏡時(shí),符合高功率穩(wěn)定的激光諧振腔設(shè)計(jì)條件是L4=56.97 mm.為了方便,我們將所設(shè)計(jì)的高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光器諧振腔稱為優(yōu)化腔.

圖3 高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光器諧振腔結(jié)構(gòu)圖Fig.3. Resonatorschematic conf i guration of high beam quality and high stability power laser.

3.1 設(shè)計(jì)的激光器實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的理論分析

為了驗(yàn)證我們所設(shè)計(jì)的激光器諧振腔兩端臂的像散可獲得補(bǔ)償,可輸出高光束質(zhì)量的激光,利用ABCD矩陣進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算,圖3諧振腔(優(yōu)化腔)的腔內(nèi)各點(diǎn)光斑大小如圖4所示.從圖4中可知,M0—M1端與M2—Mout端各點(diǎn)子午弧矢面光斑大小相同,中間端M1—M2子午弧矢面光斑大小不同,說(shuō)明兩端臂的像散獲得完全補(bǔ)償.

圖4 優(yōu)化腔的腔內(nèi)各點(diǎn)光斑大小Fig.4.Beam spot size in optimized cavity.

當(dāng)外界環(huán)境等因素變化時(shí),熱透鏡的焦距將發(fā)生改變,假設(shè)其焦距變化范圍在700—900 mm內(nèi).為了研究所設(shè)計(jì)的激光諧振腔的性能,選擇一個(gè)不滿足上述設(shè)計(jì)方法和條件的諧振腔作為對(duì)比腔型進(jìn)行研究.例如,將優(yōu)化腔參數(shù)中的f2改成250 mm,顯然,該諧振腔不滿足高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光器設(shè)計(jì)方法和條件,我們稱該腔為普通腔.

圖5給出了優(yōu)化腔、普通腔兩種不同腔型,兩端的臂像散量隨熱透鏡焦距變化情況.圖中縱坐標(biāo)為當(dāng)熱透鏡焦距變化時(shí),腔內(nèi)不同位置的子午、弧矢面光斑半徑最大差值的絕對(duì)值,即反映了該位置的最大像散量.從圖中可知,熱透鏡焦距在700—900 mm范圍變化時(shí),優(yōu)化諧振腔兩端的像散仍然得到了很好的補(bǔ)償,而普通諧振腔顯然不具備這一功能.這意味著我們所設(shè)計(jì)的優(yōu)化諧振腔,在圖5不同的熱透鏡焦距下,均可輸出高光束質(zhì)量的光斑.

圖5 諧振腔兩端的臂像散量隨熱透鏡焦距變化情況Fig.5.Astigmatism in two arms of laser versus focal length of thermal lens.

3.2 所設(shè)計(jì)的激光器實(shí)現(xiàn)高功率穩(wěn)定性的理論分析

SESAM的反射率依賴于入射光強(qiáng)度,當(dāng)熱透鏡焦距改變引起SESAM處光斑變化時(shí),意味著腔內(nèi)凈增益將發(fā)生變化,即激光輸出功率發(fā)生波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致鎖模失敗.圖6為SESAM處子午面、弧矢面光斑半徑的相對(duì)變化值隨著熱透鏡焦距變化而發(fā)生改變的情形.從圖中可知,在我們所設(shè)計(jì)的優(yōu)化腔中,在無(wú)論子午面還是弧矢面上,熱透鏡焦距波動(dòng)引起SESAM處光斑大小的變化幾乎可以忽略不計(jì),而對(duì)普通腔顯然不具備這種優(yōu)勢(shì).

我們所設(shè)計(jì)的優(yōu)化諧振腔,不僅確定了各曲面鏡之間的約束關(guān)系,而且尋找到了該激光器中,放置激光增益介質(zhì)的最佳位置.圖7給出了晶體放置在不同位置,當(dāng)激光熱透鏡焦距在700—900 mm變化時(shí),SESAM處子午、弧矢面上光斑半徑的相對(duì)變化情況.圖7中的橫坐標(biāo)?L3=0對(duì)應(yīng)著我們所設(shè)計(jì)的優(yōu)化諧振腔,?L3值表示增益介質(zhì)放置位置偏離優(yōu)化腔時(shí),導(dǎo)致圖3中曲面鏡與增益介質(zhì)之間距離L3的改變量.從該圖中可知,?L3=0時(shí),熱透鏡焦距變化時(shí)引起SESAM處光斑半徑的變化最小.熱透鏡引起SESAM處光斑半徑變化越小,越有利于諧振腔的功率穩(wěn)定和鎖模性能提高.

圖6 SESAM處光斑變化量隨熱透鏡焦距的改變情況Fig.6.Amount of laser beam spot radii change at SESAM vary with focal length of thermal lens.

圖7 熱擾動(dòng)時(shí)熱透鏡不同位置對(duì)SESAM上光斑大小的影響Fig.7.Amount of laser beam spot radii change at SESAM vary with?L3when thermal perturb focal length of thermal lens.

以上主要研究了熱透鏡焦距變化時(shí),超短脈沖激光器關(guān)鍵位置(SESAM處)光斑半徑的變化規(guī)律,下面研究熱透鏡焦距對(duì)腔內(nèi)其他位置光斑的影響.從圖8中可知,熱透鏡焦距在線相同的變化范圍內(nèi)(700—900 mm),優(yōu)化腔內(nèi)各點(diǎn)光斑變化明顯小于普通諧振腔.根據(jù)圖6和圖8可知,與對(duì)比的普通諧振腔相比,優(yōu)化腔不僅在腔內(nèi)的關(guān)鍵位置(SESAM處),而且在腔內(nèi)其他位置光斑半徑的變化均達(dá)到最佳情況.

圖8 熱透鏡焦距變化時(shí)諧振腔內(nèi)不同位置光斑大小變化情況Fig.8.Amount of laser beam spot radii change vary with optical axisz(zero point from Mout,following M2,M1and M0)intracavity.

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)及理論研究的正確性,我們根據(jù)所設(shè)計(jì)的高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光器諧振腔結(jié)構(gòu)圖,在Nd:YAG側(cè)泵超短脈沖激光器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.增益介質(zhì)和抽運(yùn)采用北京吉泰基業(yè)科技有限公司的GTPC-75S側(cè)泵模塊,Φ3 mm×65 mm的Nd:YAG晶體被圍繞著它的12塊LD陣列側(cè)泵;側(cè)泵模塊最大電流25 A對(duì)應(yīng)的輸出功率為75 W(冷卻水溫度20?C,腔長(zhǎng)為170 mm的平平腔,輸出鏡透過(guò)率20%).實(shí)驗(yàn)中采用1 GHz帶寬的高速數(shù)字示波器(DPO4104B,Tektronix,Inc,USA)和高速光電探測(cè)器(PIN2-11-12,Hi-Teck Optoclectronics Co.Ltd,China)對(duì)鎖模脈沖進(jìn)行觀察,利用功率計(jì)(30A-P-17,Optronics Solutions Ltd,Israel)對(duì)輸出光功率進(jìn)行測(cè)量.

為了研究所設(shè)計(jì)的優(yōu)化腔鎖模的穩(wěn)定性,采用恒溫冷水機(jī)冷卻晶體,當(dāng)水溫為20?C時(shí),優(yōu)化腔、普通腔在都可以獲得連續(xù)鎖模,如圖9所示.為了進(jìn)一步研究?jī)煞N腔型熱穩(wěn)定性的差異,將恒溫水箱的水溫分別調(diào)整到15?C和25?C,此時(shí)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化腔仍然可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模,但普通腔鎖模開(kāi)始出現(xiàn)了紊亂,有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)失鎖,如圖10所示.

圖9 水溫20?C時(shí),優(yōu)化腔、普通腔的鎖模脈沖序列圖 (a),(b)優(yōu)化腔輸出脈沖序列;(c),(d)普通腔輸出脈沖序列Fig.9.oscilloscope trace of the pulse envelope when laser crystal was cooled by 20?C temperature cooled water:(a),(b)oscillograms of the mode-locked laser trains of optimized resonators;(c),(d)oscillograms of the mode-locked laser trains of universal resonators.

我們采用光束分析儀(Dataray,BeamMap2-XYZ Scanning Slit Systerm)測(cè)量了優(yōu)化腔在近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)的光斑形貌,從圖11(a)可知,優(yōu)化腔近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)激光器輸出的都是標(biāo)準(zhǔn)的基模光束,說(shuō)明我們所設(shè)計(jì)的優(yōu)化腔激光器中的腔像散獲得了完全補(bǔ)償,輸出高光束質(zhì)量的激光光束,與理論分析圖4的結(jié)果相一致.采用該光束分析儀測(cè)量?jī)?yōu)化腔激光器輸出光束子午面、弧矢面的M2因子分別為1.03和1.05,對(duì)比實(shí)驗(yàn)的普通諧振腔激光器輸出光束子午面、弧矢面的M2因子分別為1.68和1.81,說(shuō)明我們所設(shè)計(jì)的激光器可實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的激光器輸出.近一步研究抽運(yùn)電流對(duì)光斑形狀的影響,抽運(yùn)電流從8 A變化到14 A時(shí)(對(duì)應(yīng)熱透鏡焦距從1025 mm變?yōu)?25 mm),優(yōu)化腔激光器輸出光斑的形貌幾乎沒(méi)有發(fā)生變化,反映了優(yōu)化腔激光器在不同熱透鏡焦距時(shí),均可以輸出高光束質(zhì)量的激光光束,實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果完全符合.而在對(duì)比實(shí)驗(yàn)的普通諧振腔中,激光器輸出光斑為橢圓形狀,說(shuō)明普通諧振腔中的像散沒(méi)有獲得完全補(bǔ)償,當(dāng)抽運(yùn)電流從8 A增大到14 A時(shí),光斑橢圓加劇,光束質(zhì)量繼續(xù)變差.

圖10 水溫波動(dòng)時(shí),優(yōu)化腔、普通腔的鎖模脈沖序列圖 (a),(b)優(yōu)化腔輸出脈沖序列;(c),(d)普通腔輸出脈沖序列 (a),(c)水溫為15?C,(b),(d)水溫為25?CFig.10.Oscillograms of the continuously mode-locked laser trains at different cooled water temperature:(a),(b)Oscillograms of the mode-locked laser trains of optimized resonators;(c),(d)oscillograms of the mode-locked laser trains ofuniversal resonators;(a),(c)crystal was cooled by 15?C temperature cooled water;(b),(d)crystal was cooled by 25?C temperature cooled water.

圖11 水溫20?C時(shí),優(yōu)化腔、普通腔在不同抽運(yùn)電流時(shí)的輸出光斑圖Fig.11.Output spot intensity prof i les for optimized resonators and universal resonators laser at different pump current when crystal was cooled by 20?C temperature water.

下面對(duì)優(yōu)化腔激光器和普通腔激光器的功率穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比研究.圖12反映了激光晶體在三種不同水溫(15?C,20?C,25?C)時(shí),兩種不同諧振腔(優(yōu)化腔、普通腔)的激光器的功率穩(wěn)定性.實(shí)驗(yàn)中,我們?cè)诓煌瑫r(shí)刻記錄激光器的功率值,每個(gè)條件下共記錄50次,然后根據(jù)這50次數(shù)據(jù)求出激光器的平均值Pout,標(biāo)準(zhǔn)差σPout.從圖中可知,優(yōu)化腔激光器的功率穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通腔.普通腔激光器中,即使功率波動(dòng)最小的值(σPout/Pout=0.12,對(duì)應(yīng)條件為水溫20?C、抽運(yùn)電流10 A),仍比在相同條件下的優(yōu)化腔激光器高一個(gè)數(shù)量級(jí)(相同外界條件下,優(yōu)化腔激光器的σPout/Pout小于0.01).在水溫20?C的條件下,抽運(yùn)電流10 A時(shí),優(yōu)化腔激光器輸出功率為660 mW,普通腔輸出功率為360 mW.在優(yōu)化腔激光器中,激光晶體在三種不同水溫(15?C,20?C,25?C)時(shí)功率波動(dòng)均很小,水溫20?C所對(duì)應(yīng)的曲線(圖中紅色虛線)最平坦,且值最小,說(shuō)明優(yōu)化腔激光器在不同驅(qū)動(dòng)電流下,功率均非常穩(wěn)定.我們?cè)O(shè)計(jì)優(yōu)化腔時(shí),晶體熱透鏡焦距是采用晶體在20?C水溫時(shí)所測(cè)量的值,理論與實(shí)驗(yàn)研究相符合.

圖12 優(yōu)化腔、普通腔激光器功率波動(dòng)隨電流的變化情況Fig.12.Fluctuation of output power change vary with pump current.

進(jìn)一步研究激光晶體的水溫變化引起激光器功率波動(dòng)情況.繼續(xù)采用所設(shè)計(jì)的兩種諧振腔激光器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),讓它們分別工作在不同電流情況下,晶體周圍的水溫在15?C—25?C范圍變化,每變化隔1?C時(shí),測(cè)量激光器的輸出功率,然后求出每個(gè)激光器在不同電流下,水溫在15?C—25?C變化時(shí)測(cè)量的11個(gè)輸出功率的平均值Pout、標(biāo)準(zhǔn)差σPout.圖13給出了所設(shè)計(jì)的優(yōu)化腔和普通腔,增益介質(zhì)的水溫變化時(shí)激光器輸出功率的波動(dòng)情況.從圖中可知,水溫發(fā)生變化時(shí),優(yōu)化腔激光器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差σPout/Pout優(yōu)于0.058,而普通腔激光器的值高于0.64,說(shuō)明與普通腔激光器相比,優(yōu)化腔激光器的功率穩(wěn)定性提高了1個(gè)數(shù)量級(jí).我們?cè)O(shè)計(jì)優(yōu)化腔激光器時(shí),采用的是驅(qū)動(dòng)電流10 A對(duì)應(yīng)的熱透鏡焦距值(ft=800 mm),實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)電流10 A時(shí),優(yōu)化腔激光器的功率穩(wěn)定性最佳;驅(qū)動(dòng)電流變化時(shí),優(yōu)化腔激光器功率波動(dòng)均較小,且變化不大,與圖6中的理論研究結(jié)果非常符合.

圖13 增益介質(zhì)的水溫變化引起激光器輸出功率波動(dòng)隨抽運(yùn)電流變化Fig.13.Fluctuation of output power change caused by cooled water temperature,vary with pump current.

圖14 激光器輸出功率隨著溫度的波動(dòng)情況Fig.14.Fluctuation of output power changevary with cooled water temperature.

實(shí)驗(yàn)中,優(yōu)化腔采用抽運(yùn)電流為10 A時(shí)所測(cè)的熱透鏡焦距值來(lái)設(shè)計(jì),因此我們著重分析抽運(yùn)10 A時(shí)晶體周圍的水溫對(duì)優(yōu)化腔輸出功率的影響.圖14給出了抽運(yùn)電流10 A時(shí),優(yōu)化腔和普通諧振腔中激光輸出功率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差隨著溫度的變化情況.實(shí)驗(yàn)中,在不同水溫時(shí),每隔1 min記錄1次激光輸出功率,實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)點(diǎn)由50次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)形成.從該圖可知,晶體周圍水溫變化時(shí),優(yōu)化腔激光器的輸出功率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差σPout/Pout明顯小于普通腔激光器,同時(shí),溫度的變化對(duì)優(yōu)化腔激光器輸出功率穩(wěn)定性的影響非常小,實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果完全符合.

5 結(jié) 論

本文提出一種基于傳播圓來(lái)設(shè)計(jì)高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光器的設(shè)計(jì)方法,并對(duì)采用該方法所設(shè)計(jì)的高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性超短脈沖激光器諧振腔進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究.理論研究結(jié)果表明,該方法不僅具有圖解法直觀、簡(jiǎn)便高效的優(yōu)點(diǎn),所設(shè)計(jì)的高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光諧振腔的兩端臂像散可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償,激光晶體熱透鏡焦距改變時(shí),激光諧振腔關(guān)鍵位置及腔內(nèi)各點(diǎn)光斑半徑的變化都顯著地優(yōu)于普通諧振腔的值.實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,高光束質(zhì)量、高功率穩(wěn)定性激光諧振腔激光器,冷卻激光晶體水溫在較大的變化范圍內(nèi),均可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模,而且可以輸出基模光斑的激光光束,輸出激光功率穩(wěn)定性顯著提高,實(shí)驗(yàn)與理論研究結(jié)果非常符合.

[1]Wu D,Chen Q D,Niu L G,Wang J N,Wang J,Wang R,Xia H,Sun H B 2009Lab.Chip.9 2391

[2]Xia H,Wang J,Tian Y,Chen Q D,Du X B,Zhang Y L,He Y,Sun H B 2010Adv.Mater.22 3204

[3]Wen Q,Sun L Q,Zhang E Y,Tian Q 2009Mod.Phys.Lett.B23 2585

[4]Wen Q,Sun L Q,Tian Q,Zhang E Y 2010J.Opt.12 015207

[5]Zhang X Y,Zhao S Z,Wang Q P,Zhang Q D,Ozygus B,Weber H 2000Chin.J.Laser27 777(in Chinese)[張行愚,趙圣之,王青圃,張其第,Ozygus B,Weber H 2000中國(guó)激光27 777]

[6]Wang Q Y 2011M.S.Dissertation(Xi’an:Xidian University)(in Chinese)[王起陽(yáng) 2011碩士學(xué)位論文(西安:西安電子科技大學(xué))]

[7]Skettrup T,Meelby T,Faerch K,Frederiksen S L,Pedersen C 2000Appl.Opt.39 24

[8]Skettrup T 2005J.Opt.A:Pure Appl.Opt.7 645

[9]Wen Q,Liang G W,Zhang X J,Liang Z S,Wang Y G,Li J,Niu H B 2014IEEE Photon.J.6 15022136

[10]Kogelnik H,Ippen E P,Dienes A,Shank C V 1972IEEE J.Quantum Electron.8 373

[11]Kane D 1989Opt.Commun.71 113

[12]Jamasbi N,Diels J C,Sarger L 1988J.Mod.Opt.35 1891

[13]Zhang X J,Yang F,Wang Y G,Sun L Q,Wen Q,Niu H B 2013Acta Phys.Sin.62 024211(in Chinese)[張小軍,楊富,王勇剛,孫利群,文僑,牛憨笨2013物理學(xué)報(bào)62 024211]

[14]Yefet S,Jouravsky V,Pe’er A 2013J.Opt.Soc.Am.B30 549

[15]Wen Q,Zhang X J,Wang Y G,Sun L Q,Niu H B 2014Opt.Express22 2309

[16]Narro R,Arronte M,Posada E D,Ponce L,Rodríguez E 2009Proc.SPIE.7499

[17]Zhang G Y 1977Laser J.4 44(in Chinese)[張光寅1977激光4 44]

[18]Zhang G Y 1981Laser J.8 11(in Chinese)[張光寅1981激光8 11]

[19]Geng A C,Zhao C,Bo Y,Lu Y F,Xu Z Y 2008Acta Phys.Sin.57 6987(in Chinese)[耿愛(ài)叢,趙慈,薄勇,魯遠(yuǎn)甫,許祖彥2008物理學(xué)報(bào)57 6987]

[20]Liu J J,Ding S H,Ding Z,Jia H X 2015Ele-Optic Technol.Appl.30 25(in Chinese)[劉佳佳,丁雙紅,丁澤,賈海旭2015光電技術(shù)應(yīng)用30 25]