增益與損耗控制下輸出高階拉蓋爾與貝塞爾高斯光束端泵激光器研究.pdf

1、隨著光學(xué)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的不斷深入，高階拉蓋爾高斯(Laguerre Gaussian, LG)光束與高階貝塞爾高斯(Bessel Gaussian, BG)光束由于其獨(dú)特的光學(xué)特性在近二十年來(lái)逐步引起了人們的廣泛關(guān)注，不僅應(yīng)用到光鑷、超材料激光加工、熒光受激損耗發(fā)射技術(shù)、自由空間光通信等經(jīng)典領(lǐng)域，還深入到量子糾纏和量子通信等領(lǐng)域。而研究高階LG光束和BG光束的基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一在于如何獲得模式純度高的光束。輸出高階LG光束與BG光束的端面泵

2、浦固體激光器因其全固態(tài)、效率高、輸出光束功率高、光束模式純度高、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了持久和深入的研究。本論文基于激光諧振腔中增益與損耗控制的橫模選擇技術(shù)，對(duì)輸出高階LG光束和BG光束端面泵浦固體激光器進(jìn)行了深入的研究。本文介紹了高階LG光束和BG光束在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，分析了各種高階光束的產(chǎn)生方法，并綜合輸出高階LG光束和BG光束的端面泵浦固體激光器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，提出了基于增益與損耗控制的輸出高階LG光束和BG光束端面泵浦

3、固體激光器的思路。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于激光諧振腔橫模選擇技術(shù)中的增益控制的原理，提出了一種環(huán)形光束端面泵浦固體激光器結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了渦旋拉蓋爾高斯(vortex Laguerre Gaussian, vLG)光束的連續(xù)和脈沖輸出。設(shè)計(jì)了一種環(huán)形泵浦光形成的裝置和方法，分別從光線追跡和衍射積分角度，分析了該裝置的實(shí)現(xiàn)原理與輸出光束光學(xué)特性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；谠鲆婵刂频脑?，采用該裝置形成的環(huán)形光束端面泵浦 a切 N

4、d:YVO4晶體，搭建了固體激光器，實(shí)現(xiàn)了最大輸出功率574mW的vLG0,1光束連續(xù)輸出。輸出光束的軌道角動(dòng)量特性由馬赫增德?tīng)柛缮鎯x來(lái)檢測(cè)；并在該連續(xù)工作的激光器中插入被動(dòng)調(diào)Q晶體Cr4+:YAG后，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率65KHz，脈寬198ns的脈沖vLG光束輸出。⑵提出了環(huán)形光束端面泵浦下圓棒激光晶體的熱效應(yīng)模型。從一維熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，將環(huán)形光束等效為半徑方向上離軸高斯光束，理論推導(dǎo)了圓棒激光晶體在環(huán)形光束端面泵浦下的溫度分布、熱致相位

5、差分布、等效熱焦距和熱致?lián)p耗。以1.3％摻雜的Nd:YAG圓棒激光晶體為例，模擬分析了激光晶體內(nèi)溫度、熱致光程差、等效熱焦距和熱致?lián)p耗隨著環(huán)形泵浦光尺寸的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明，在相同泵浦功率下，相對(duì)于實(shí)心光束泵浦，環(huán)形泵浦下，晶體中心部分的溫度升高明顯降低，這對(duì)于提高泵浦效率提供了有利保障；模擬結(jié)果還表明，相對(duì)于環(huán)形泵浦光的厚度，環(huán)形泵浦光的光強(qiáng)最強(qiáng)中心位置更加影響激光晶體的熱分布。⑶基于平凹諧振腔中橫模選擇技術(shù)的損耗控制原理，提出了

6、一種基于損耗控制的高階LG光束輸出的激光器結(jié)構(gòu)。從高階LG光束的光強(qiáng)空間分布特性出發(fā)，在光強(qiáng)節(jié)線分布位置，通過(guò)插入振幅模板，利用振幅模板對(duì)于各個(gè)高階LG光束的透過(guò)率不同，達(dá)到增大包括基模在內(nèi)其它模式損耗的目的。采用有源諧振腔的模擬方法，分別模擬了徑向高階LG光束、角向高階LG光束和常規(guī)高階LG光束的選擇激發(fā)和輸出。模擬結(jié)果表明該諧振腔結(jié)構(gòu)輸出的高階LG光束的模式純度均超過(guò)93%。并分析了插入振幅模板的端面泵浦有源諧振腔內(nèi)損耗分布，建立了

7、該激光器的損耗分布模型。最后，采用修正的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x對(duì)腔外高階LG轉(zhuǎn)換成高階vLG光束的方法進(jìn)行了探討。⑷基于軸棱錐諧振腔中橫模選擇技術(shù)的損耗控制原理，提出了一種基于損耗控制的疊加態(tài)的高階BG光束輸出的激光器結(jié)構(gòu)。研究了軸棱錐諧振腔中振蕩高階BG光束的模式特性，指出了其振蕩的模式是兩個(gè)渦旋方向相反的高階BG光束的疊加。利用損耗控制的方法，在諧振腔中放置振幅模板，利用振幅模板對(duì)于各個(gè)高階BG光束的透過(guò)率不同，增大目標(biāo)模式以外其它模式