高功率固體激光器及其諧振的設(shè)計(jì)與研究

　　作為高功率固體激光器的熱門發(fā)展方向之一，碟片激光器以其熱效應(yīng)小、輸出功率高、光束質(zhì)量好、光光效率高、功率可擴(kuò)展等優(yōu)良特性，自誕生以來(lái)就受到人們的普遍關(guān)注。盡管碟片晶體的冷卻效果遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的棒狀或者板條晶體，然而，在千瓦級(jí)狀態(tài)，即便是碟片激光器的熱效應(yīng)也是不能忽略的。碟片激光器諧振腔可以等效為一個(gè)含有透鏡的諧振腔。由于碟片激光器熱效應(yīng)的特點(diǎn)及其激光和泵浦光匹配的要求，設(shè)計(jì)合理的諧振腔結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。特別對(duì)于碟片激光器的功率擴(kuò)展特性，更有必要對(duì)腔型進(jìn)行深入的分析和研究。

　單碟片諧振腔設(shè)計(jì)

　　1、設(shè)計(jì)目標(biāo)及限制條件

　　1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　碟片晶體的厚度為0.2mm，一個(gè)表面鍍泵浦光和激光的增透膜，另一個(gè)表面鍍兩個(gè)波長(zhǎng)的高反膜并焊接在熱沉上進(jìn)行冷卻。基于這種結(jié)構(gòu)，碟片激光器通常要么采取直腔的形式，即碟片的全反面和輸出鏡構(gòu)成諧振腔；要么采取折疊腔的形式，將碟片作為一個(gè)折疊鏡使用。折疊腔中使用最多的是V型腔。

　　未泵浦狀態(tài)下的Yb：YAG晶體，對(duì)1000nm左右的激光有較強(qiáng)的吸收作用。于是，Yb：YAG的泵浦區(qū)會(huì)激發(fā)1030nm的激光，而Yb：YAG的非泵浦區(qū)則對(duì)1030nm激光有一定吸收作用，因此可以將Yb：YAG晶體上的泵浦區(qū)看作一軟光闌。當(dāng)諧振腔基膜半徑太大時(shí)，受泵浦區(qū)軟光闌的影響，將產(chǎn)生嚴(yán)重的腔內(nèi)損耗，不利于獲得較大功率的激光輸出；而當(dāng)基模半徑遠(yuǎn)小于泵浦光斑時(shí)，泵浦區(qū)的軟光闌對(duì)高階模的限制作用將大大減少，不利于獲得較好模式的激光輸出。因此，基模半徑和泵浦光斑半徑之間的匹配是碟片激光諧振腔設(shè)計(jì)中需要平衡的重要矛盾之一。對(duì)于碟片激光器，如果想要獲得最佳的光束質(zhì)量（基模輸出），則

　　ωo = 0.6ωp - 0.8ωp

　　該值依賴于輸出鏡透過(guò)率和其他損耗的大小，對(duì)于6mm*6mm的泵浦光斑，則要求ωo ≈ 2mm；如果想要獲得最佳的輸出功率，則

　　ωo ≈ 0.2ωp - 0.3ωp

　　泵浦光斑6mm*6mm，則要求ωo ≈ 0.75mm。

　　諧振腔設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是保證諧振腔的穩(wěn)定性，其次應(yīng)該使功率盡可能高、光束質(zhì)量盡可能的號(hào)。然而，輸出功率和光束質(zhì)量是一對(duì)矛盾，我們只能就所關(guān)心的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡、選取。本項(xiàng)目的最終目的是獲得4kW穩(wěn)定輸出的碟片激光器，所以功率是重點(diǎn)關(guān)心的指標(biāo)。受限于實(shí)驗(yàn)碟片的大小和損傷閾值，單碟片能夠輸出的功率不足以達(dá)到4kW，因此需要設(shè)計(jì)多碟片串接的諧振腔。