高功率固体激光器之软边光阑应用之工程化研究

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1、高功率固体激光器之软边光阑应用之工程化研究1绪论1.1研究背景及意义提高填充因子是获得高峰值功率、高转换效率激光输出的有效手段，本文主要通过提高填充因子获得更高峰值功率激光输出；研究对象是波长在约1.0Um的钱离子(Nd3+)固体激光器，其因具有阈值低，在三价稀土激活离子激光器中波长较短、功率较高的优点，己在100种不同的基质材料中获得了受激发射，表1.1是对几种典型的钱离子激光器优缺点进行的对比⑷。获得近平顶光束主要有以下方法：第一，TEMoo模光束扩束，通过硬边光阑截址中间近平顶部分，继续进行放大，此种方法具有工程使用方便的优点，但使

2、用硬边光阑会产生严重的衍射调制，不但降低了传输效率和放大效率，还可能导致非线性小尺度自聚焦、破坏昂贵的光学元件；第二，采用反射率呈高斯或超高斯分布的输出镜获得近平顶光束，但由于键膜工艺与棒状工作物质对光束的限制，其出射光束本身就具有衍射调制环；第三，使用非球面透镜组进行光束整形，其结构相对简单、光能量损失较小，但是其加工成本高，且只能针对特定光束，远场效果不佳。其他如相位型光束整形法、透射率为反高斯分布的吸收滤光镜法、微透镜阵列整形法、衍射光学元件法（二元光学元件)、液晶空间光调制器法、长焦深整形元件法（圆锥镜光束变换)、基于变形镜的激光

3、光束整形法、全息滤波器法、振幅调制光栅法等均因系统复杂，不利于工程应用等缺点很少被使用。本文针对第一种方法，使用软边光阑替换硬边光阑来截耻光束，并抑制衍射调制，该方法具有工程应用简单，获得光束相干性较好的优点。事实上，对于固体激光器多级放大系统，无论采用哪种方法获得超高斯光束，在放大过程中边缘弱能量均被小信号增益放大，故需使用光阑进行级间口径匹配。然而，使用硬边光阐进行口径匹配会产生衍射调制环，并容易在光轴上引起强心，导致小尺度自聚焦，损坏昂贵的光学元件。为此，很多机构和文献提出使用软边光阐，软边光阑与硬边光阑的差异是边缘透过率为渐变，正

4、是这一渐变区使得在一定距离（菲渔尔数F)下，减小了衍射调制强度，提髙了填充因子，并保证了平顶度。但软边光阑受制于现有设计方法、加工工艺成本高、损伤阈值低等问题，并没有完全得到实用化，本文从工程化角度对软边光阑进行研究，从设计到加工方法，使软边光阑能够低成本、可靠地应用于工程项目中。1.2国内外研宄现状早在1973年，软边光阑用于大功率激光系统放大器中减小菲涅尔衍射造成的非线性自聚焦和破坏就有报道。1979年，国内林尊琪等人就对软边光阑应用于激光振荡器进行了研宄，使用介质膜软边反射腔板改善了振荡器输出的方向性、他们还在1982年，给出了胶型

5、超高斯软边光阑的研究结果，包括光阑的设计制作方法及实际实验效果，但该方法的损伤阈值较低，在2ns脉冲1064nm波长的激光作用下，只有几十mJ/cm2的损伤闽值。但此时的软边光阑均处于试验阶段，受限于精度和损伤闽值并无在项目中应用的报道。1986年，RogerA.Haas，MarkA.Summers等人提出了使用随机相位板进行光束截祉，通过调整随机相位板散点之间的距离和深度，从而降低衍射调制环强度，他们使用喷砂方法在玻璃上制作出了这种玻璃光阑，且成功用于美国国家点火装置（NIF)NOVA激光器系统中，1992年，银齿光阑被成功应用于NOV

6、A激光系统中这时候形成了以喷砂玻璃光阑和据齿光阑为典型的软边光阑，但此时受制于加工方法与成本，软边光阑只应用于超大型激光系统中，并没有得到工程化。2001年，陈怀新等人提出利用液晶空间光调制器进行激光束整形系统。液晶空间光调制器对激光束进行整形，实质上是利用液晶分子的旋光偏振性和双折射性，在外电场的作用下液晶分子指向会发生改变，改变量大小与外加电压有关，其结构如图1.4所示，它由两偏振片夹一液晶显示层构成。2软边光阑获得超高斯光束的理论分析2.1软边光阑衍射理论光场衍射传输模拟的理论依据，然而此二重积分在进行直接数值计算时，计算量相当大，

7、使用快速傅里叶变换能够对上式进行快速有效的计算。然而，对于菲涅尔衍射无论是采用脉冲响应函数的卷积形式还是传递函数的乘积形式，都受到一定的条件限制，只能在特定的区域使用。以下对两种形式进行分析，分别推导其适用范围，从而保证不同的衍射区采用恰当的数值计算方法。对于一定大小的物面，当抽样间距确定后，根据以上两种形式数值计算菲涅尔衍射的条件，当满足ZiS2xL/A时，使用传递函数形式进行数值计算结果正确；当满足Zi>AxLA时，使用脉冲响应函数的卷积形式结果准确。可以发现，这两种数值计算方法具有相同的分界点，可以根据光场衍射距离的不同选择

8、适当的数值计算形式，从而保证整个菲涅尔衍射区模拟计算的正确性。激光束通过软边光阑在传输过程中，光强分布会发生畸变，软化因子越小，越严重，本文通过数值计算进行了模拟。结合菲涅尔衍射理论与快速傅里