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Word素材文件1

分类号：

TN242UDC：

D10621-408-（2009）2538-0

密级：

公开编号：

2005031162

成都信息工程学院

学位论文

高能激光器谐振腔

失调灵敏度分析及准直方法初步研究

论文作者姓名：

申请学位专业：

申请学位类别：

工学学士

指导教师姓名（职称）：

论文提交日期：

xxxx年xx月xx日

高能激光器谐振腔失调灵敏度分析及准直方法初步研究

摘要

本文介绍了目前高能激光器常用谐振腔结构形式，阐述了非稳腔的基本原理及构成形式，针对共焦非稳腔的分类、放大率及损耗进行了详细研究。

由于激光谐振腔在工作之前的调腔共轴问题有至关重要的作用，特别是对于高能激光器来说尤为重要；这是保证激光器输出良好光束质量的重要前提之一。

因此本文对谐振腔失调灵敏度问题进行了理论分析和推导，并进一步编写数值计算程序，建立相关理论模型。

此外还针对谐振腔的调整问题进行探究，初步研究了准直技术。

主要讨论了基于哈特曼―夏克（Hartmann-Shack）波前传感器的正支共焦腔准直方法，通过实验对比分析采用此方法前后的输出光束质量，得出相关的研究结论。

同时提出由输出光束近场强度及相位的综合分布情况作为谐振腔是否调好的判据。

关键词：

高能激光器；正支共焦非稳腔；失调灵敏度；准直方法；哈特曼―夏克波前传感器

Theanalysisofmisalignmentsensitivityandstudiesoftheresonatorcollimationmethodsforhigh-energylasers

Abstract

Theresonatorstructuresofhigh-energylasersareintroducedatfirst.Thebasicprincipleandstructureofconfocalunstableresonatoraredescribed,mainlyincludingtheclassification,magnificationandtheloss.Itisveryimportanttoaligntheresonatorbeforeitoperates,especiallyforthehigh-energylasers.Thisisoneofthebasicmeanstoimprovethebeamquality.Therefore,themisalignmentsensitivityhasbeenanalyzed.Inaddition,resonatoralignmentandcollimationmethodhavebeenelaborated.TheexperimentaladjustmentmethodforaconfocalunstableresonatorusingHartmann-Shack（H-S）wavefrontsensorisresearched.Theoutputbeamqualitiesbeforeandafterthealignmentarecompared.Intheend,amethodofestimatingthealignmentforanunstableresonatorisillustrated.Theoutcoupledbeamintensityfromthenear-fieldandphasepropertiesshouldbeusedtogethertojudgewhethertheunstableresonatorisbeenalignedexactly.

Keywords:

high-energylasers;positive-branchconfocalunstableresonators;misalignmentsensitivity;collimationmethod;Hartmann-Shackwavefrontsens

Mu

Yeshu:

19ye

1引言5

2高能激光器常用谐振腔的结构形式6

2.1激光器的基本组成及分类6

2.1.1激光器的基本组成6

2.1.2谐振腔的一种分类方式7

2.2非稳腔分类及基本性质8

2.2.1非稳腔分类8

2.2.2非稳腔的特性10

2.3共焦非稳腔11

2.3.1共焦非稳腔的分类11

3调腔共轴与准直技术12

3.1光路准直方法12

3.1.1几种基础的光路准直方法12

3.1.2基于H-S波前传感器的正支共焦非稳腔调腔方法14

3.2调腔共轴问题的判断方法15

3.2.1非稳腔腔外光束质量判断依据15

3.2.2调腔共轴问题的判据16

结论16

参考文献17

致谢17

声明18

1引言

1960年7月，美国加州休斯实验室的T.H.Maiman制成了世界上第一台红宝石激光器，输出波长为694.3nm。

40多年来，激光技术获得了突飞猛进的发展，在工业、信息科学、生物技术和军事上得到广泛应用。

它的出现推动了很多科学技术的发展，如激光加工技术、激光信息处理、激光医学等，特别是强激光科学技术的开拓与研究成为重要的前沿领域。

激光谐振腔的理论研究很早就已经开始了，例如德国的H.Heber在20世纪60年代开始对谐振腔的结构及模式特性作了系统深入的研究。

在国内，方洪烈等在70年代对光学谐振腔的结构改进、失调特性等也做了进一步的研究。

光学谐振腔可以分为开腔、闭腔和气体波导腔[1]。

根据光束几何逸出损耗的高低，开腔通常又可分为稳定腔、临界腔和非稳腔三类。

稳定腔损耗小，调整精度要求低，主要适用于工作物质的增益较弱或腔长较长情况下的激光器系统。

临界腔可用于增益不十分低的各种类型的激光器系统中，具有较好的应用价值。

然而在激光技术发展初期，激光器的设计者们为了减小谐振腔的衍射损耗，往往使其工作于稳定区而不是非稳区，直到1965年A.E.Seigman[2]等在理论上首次证明了非稳腔在应用上的可行性。

并且非稳腔逐渐成为高能激光器的常用腔型之一，因为采用非稳腔可以同时获得大的模体积和好的高阶模抑制能力。

由于高能激光器的应用范围不断增大，因此对其输出良好光束质量的要求也越来越高。

高能激光器的准直程度直接影响到激光器的光束质量以及其能否正常工作。

所以激光谐振腔在工作之前的调腔共轴问题至关重要，特别是对于输出能量较高的红外激光器，利用一定的方法和技术进行光路准直以提高输出光束方向性,是保证激光器输出光束具有良好光束质量的重要前提之一。

提高光束质量的方法多种多样：

可以利用自适应光学技术实现准直；或是通过改变谐振腔的结构和特性，来改善腔内各种扰动因素和畸变带来的对输出光束模式的影响；此外还可以利用各种腔内模式控制或选择的方法来改善激光器输出光束质量或模式分布。

在自适应光学技术方面[3]，1978年美国R.H.Freeman等首次报道闭环自适应光学谐振腔的实验研究，利用区域多路高频振动自适应光学技术（COAT），采用腔内变形镜校正CO2激光器的光束像差。

同年R.R.Stephens等利用COAT技术和18单元变形反射镜校正连续CO2激光谐振腔内静态误差实验，当激光谐振腔存在10μrad的静态整体倾斜时，输出激光束的远场衍射倍率因子为5倍衍射极限，经闭环校正之后输出激光束的远场光斑质量提高为1.4倍衍射极限，远场光斑峰值光强提高了11倍。

通过改变谐振腔的结构和特性，可以保持谐振腔设计的谐振条件，提高输出光束质量和能量。

1992年，德国Fraunhofer激光研究所的U.Habich等研制出一种射频激励的CO2激光器[4]。

他们采用了两个互相倾斜成一定角度的环形反射镜所组成的非稳谐振腔。

在增益长度为1.8m的环形放电区中获得了2kW的激光输出，光电效率为10%，发散角的径向和环向均接近1.5倍的衍射极限。

2007年，华中科技大学的陈佳元等为改善TEACO2同轴非稳腔输出光束质量，采用涡流管同轴非稳腔[5]。

激光器工作频率为3Hz，连续运行300s，未用此腔型前衍射极限倍数因子由3.52增至6.94，采用该腔型后由3.50增至3.88。

2007年，大连海事大学的熊木地等提出三点式动态准直方法[6]，并以此设计具有自动校准功能的光腔自准直系统，将此应用到氧碘化学激光器中，实现了光腔准直。

经实验验证，其准直范围可达4mrad,精度达5μrad,响应频率达20Hz。

本文分析了几种光路准直的方法，并对谐振腔失调灵敏度问题进行了简单的理论分析和推导，对调腔共轴问题的判断方法也做了初步研究。

此外，还对谐振腔调整技术进行研究，进一步找出对光束质量影响最显著的腔内光学元件，尝试对其进行控制，从而达到改善输出光束质量的目的。

本文主要讨论了通过基于H-S波前传感器的调腔方法准直正支共焦非稳腔，进行调整时首先应保证整个光路共轴使输出强度分布均匀，而后在腔外用H-S波前传感器进行光束相位测量，可由光束像差分布情况有针对性地对光腔进行调整。

同时提出了谐振腔调腔共轴的判断方法是由输出光束近场强度及相位的综合分布情况来作为谐振腔是否调好的判据。

上述探究为进一步进行谐振腔的准直和提高光束质量的研究提供了一定的参考。

2高能激光器常用谐振腔的结构形式

随着科学技术的不断进步，高能激光器的应用范围逐渐扩大。

采用非稳腔可以同时获得大的模体积和好的高阶模抑制能力，因此非稳腔逐渐成为高能激光器的常用腔型之一。

2.1激光器的基本组成及分类

2.1.1激光器的基本组成

激光器由激光介质、泵浦系统和光学谐振腔三个基本部分构成，其基本结构示意图如图2-1所示：

激光介质激光

输出

12

图2-1激光器的基本结构示意图

1）激光介质。

指能够产生受激辐射的材料。

在这种物质中可以实现粒子数反转，是获得激光的必要条件。

2）泵浦系统。

该部分供给低能态的原子能量以使它们跃迁到高能态。

3）谐振腔。

图2-1中1、2两镜共同构成了光学谐振腔，是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。

它是激光器的必要组成部分，通常由两块与激光介质轴线垂直的平面或球面反射镜构成。

激光介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。

谐振腔选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。

沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，以产生激光。

谐振腔的一个作用是提供光学正反馈，使某些光子能在腔内多次往返以形成持续振荡。

另一个作用是进行模式选择，对可能振荡的光子的状态或特征进行限制，这种限制主要表现为对振荡光子方向和频率的限制，以保证激光器单模或少数轴向模振荡，从而提高激光器的相干性。

由于激光光束特性与光腔结构有不可分割的联系，因而可以用改变腔参数的方法，来达到控制光束特性的目的。

1）通过腔的适当设计和采用特殊的选模措施，可以有效地控制腔内实际振荡的模式数目，提高光子简并度，获得单色性好、方向性好的相干光；2）调节腔的几何参数，可以直接控制光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率和光束发散角等；3）控制光束的输出功率。

2.1.2谐振腔的一种分类方式

光学谐振腔可以分为开腔、闭腔和气体波导腔。

根据光束几何逸出损耗的高低，开腔通常又可分为稳定腔、非稳腔和临界腔三类。

1）稳定腔。

是指光线在腔内来回反射，而始终不