激光器的熱透鏡效應(yīng)

1、1新型光學(xué)諧振器和熱透鏡效應(yīng)應(yīng)用物理研究所,Thomas Graf Rudolf Weber, and Hei nz-P Weber Beme Sidlerstrasse 5 大學(xué)，CH - 301 2 Beme,瑞士概要激光諧振腔支持穩(wěn)定的振蕩的最大功率范圍主要是由活性介質(zhì)（熱）材料常數(shù)和冷卻方法所決定。通過控制穩(wěn)定的基本模式操作的功率范圍，可以轉(zhuǎn)移到更高的能量，具有特殊的腔設(shè)計和腔內(nèi)光學(xué)但穩(wěn)定范圍的寬度不會受到影響。此外，在泵的活性介質(zhì)強(qiáng)度增加也加劇了非球面元件的熱誘導(dǎo)的扭曲。因此，開發(fā)新穎的諧振器時，分析這些熱效應(yīng)具有重大意義。我們目前對熱誘導(dǎo)的扭曲，一種新型的多棒激光腔，變量配置的諧振

2、器（VCR ）進(jìn)行分析。對熱效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實驗的研究。我們目前對各種抽水和冷卻方案進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)復(fù)合棒端面泵浦激光器提供最有效的冷卻。VCR被開發(fā)調(diào)控基本模式激光器的功率范圍。由于其能力作為法布里 -珀羅諧振器，它克服了穩(wěn)定性與傳統(tǒng)的多棒諧振器相關(guān)的問題， 并允許一個新的Q開關(guān)技術(shù)作為一種環(huán)形腔運(yùn)行。關(guān)鍵詞：固態(tài)激光器，二極管泵浦激光器，光學(xué)諧振器，熱透鏡效應(yīng)，熱致雙折射。1.介紹二極管泵浦固態(tài)激光器， 有著廣泛的工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用。 二極管激光器價格的不斷下降，應(yīng)用正在擴(kuò)展到高功率范圍。此外，泵浦方式的改善使二極管激光輻射高效和緊聚焦到激光材 料。由于大量吸收功率， 這將導(dǎo)致強(qiáng)烈的局部加熱

3、。因此，在固態(tài)激光材料的熱效應(yīng)已經(jīng)獲 得了相當(dāng)高功率，半導(dǎo)體激光泵浦全固態(tài)激光器作為一個發(fā)展中的關(guān)鍵問題的重要性被提 高。選中激光材料后，熱效應(yīng)只與冷卻的方法有關(guān)，然后必須采用適當(dāng)?shù)闹C振器設(shè)計。我們在下面的實驗和數(shù)值調(diào)查報告二極管激光的熱效應(yīng)泵浦全固態(tài)激光器和特殊的光學(xué)諧振器的 發(fā)展。熱透鏡效應(yīng)和應(yīng)力引起的雙折射用于比較四種不同的冷卻技術(shù)。完全驗證的數(shù)值有限元（F日代碼，它也適用于區(qū)分不同的熱透鏡效應(yīng)的貢獻(xiàn)-比如彎曲的表面和折射率變化與溫度和應(yīng)力性曲折分析高功率激光器的功率調(diào)整的極限。進(jìn)一步的功率調(diào)節(jié)功能則需要使用更長的側(cè)面泵浦激光棒多棒諧振器的使用。多棒諧振器特別適合規(guī)模在幾十瓦的順序輸出功

4、率，高光束質(zhì)量的激光器的輸出功率。在這種情況下，熱扭曲分發(fā)到幾個激光棒，在同一個腔泵的功率降低。我們報告一個獨(dú)特的激光諧振腔，變量配置的諧振器（VCR，他具有反向泵浦多棒諧振器的可調(diào)性。特別是錄像機(jī)的穩(wěn)定性能與傳統(tǒng)的多棒的法布里-珀羅諧振解決了嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題，并允許一個新的Q開關(guān)技術(shù)。在下面的章節(jié)中，我們將首先考慮球面鏡片的近似熱引起的扭曲，并討論TEM0模式激光器的規(guī)定下能量的限制。我們對不同的激光棒的冷卻方法進(jìn)行了比較。熱致雙折射所造成的損失在短期內(nèi)第3節(jié)中討論。2.近似球面透鏡端面泵浦 Nd: YAG激光器不同冷卻方案數(shù)值模擬比較采用熱致端面泵浦Nd束扭曲：YAG激光棒圖1所示為不同的

5、冷卻方法。首先FE代碼SESES勺數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行比較驗證，然后比較采用不同的冷卻技術(shù)，在相同條件下的有限元模擬。熱誘導(dǎo)的平均鏡頭電源限制在本節(jié)結(jié)束討論。2.1 .有限元計算驗證最常見的冷卻方式激光棒是包裹在銦箔(我們的例子厚100pm),并安裝如圖所示的冷卻底座上。傳熱系數(shù) h=1.5W.c推導(dǎo)出銦棒表面接觸系數(shù)。非制冷泵桿的表面，與周圍EK的空氣接觸，只提供了一個非常薄弱的冷卻(h = 0.005 W.cmA(-2).KA(-1).在圖1b中，端面泵浦的桿在邊緣和末端被水冷卻(20毫米長，直徑9.5毫米)，如果水的流速是 2L/MIN并且 冷卻棒的直徑是16mm那么傳熱系數(shù)可以算

6、出是 h=1.0 W.cmA(-2).KA(-1)，在圖C中棒(20mm 長9.5毫米直徑)仍然是與水直接冷卻的邊緣，但部分水冷卻是依靠緊密安裝在冷卻泵浦表面泵桿面藍(lán)寶石板(1毫米厚的)，藍(lán)寶石板表面進(jìn)行了入/10拋光。如果沒有 HR涂激光波長的激光棒端面，藍(lán)寶石板必須用AR鍍膜。由于高桿的表面質(zhì)量和藍(lán)寶石板，沒有水滲入兩種材料之間的區(qū)域。Nd:YAGCopper heat sinkIndium 旳yea) uncooledNd: YAGCooling waterGlass windowb) water-cooledNd;AGCooling 昨佃1嚴(yán)umpJi-am14UdlllSapphir

7、e plateCooling waterNd:YAGUndoped YAGPumpbeamPump beamd) composite rodcj sapphire-plate cooled表：受調(diào)查的四個不同的冷卻方法的計劃,a) “非致冷”：銦箔包裹的激光棒安裝在水冷銅散熱器，泵的表面未被致冷b) “水冷”：圓柱面和泵浦的激光棒的表面與水直接冷卻C) “藍(lán)寶石板冷卻”：藍(lán)寶石板壓住泵桿面，桿和部分藍(lán)寶石板進(jìn)行水冷卻d) “復(fù)合棒” 激光棒的兩端未摻雜。棒是用水冷卻的邊緣。(a)問圖2:計算（線）和測量（點(diǎn)）根據(jù)非激射條件的OPD。（一）水冷式桿泵功率 15 W。（二）藍(lán)寶石板冷卻泵功率15

8、W。（三）復(fù)合棒與泵浦功率25 W。虛線計算 H =1.3W.cmA（-2）.KA（-1）“（而不是1.0 W.cmA（-2）.KA（-1） ”。隨著1 1/mim的水流量和冷卻裝置直徑23毫米，推導(dǎo)出在與水接觸的所有表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)H =0.67 W.cmA（-2）.KA（-1）根據(jù)11/mm的水流量和一個直徑 23毫米的FBR冷卻裝置，推導(dǎo)出在與水接觸的所有表面?zhèn)?熱系數(shù)h =0.67W.cmA（-2）.KA（-1），最后，在1d圖中的邊緣冷卻的激光棒泵浦末端部分是保 持未摻雜的，直徑為 4毫米的復(fù)合棒由一個16毫米長，10.3%摻雜的中心部分，和每邊5毫米的未摻雜部分，隨著0.41/mm水流

9、量和一個直徑 6毫米的冷卻裝置，推導(dǎo)出棒和水之間的傳熱系數(shù)h=1.0 W.cmA（-2）.KA（-1）,我們將把這些不同的泵浦棒表面的冷卻方法分別分為“非致冷”，“水冷卻”，“藍(lán)寶石冷卻板”和“復(fù)合棒”，棒的中心使用 DL-50泵浦其規(guī)模為0.96 X0.68 mm2 ,發(fā)散角是235 mrad x 96 mrad ,在808納米中心的相對廣譜的1.04%摻雜棒的平均吸聲系數(shù)為 3.5c ，對于10.3 %摻雜復(fù)合棒，吸收系數(shù)為4.5 c用匕m1圖2顯示了空間分辨的干涉測量 （點(diǎn)）和計算（實線）光學(xué)路徑的差異，非激射條件下（OPD） 在飛機(jī)具有較大的泵光斑直徑的結(jié)果為三種情況（一）水冷卻，（二

10、）藍(lán)寶石板冷卻，及（c）復(fù)合棒，很好的計算和測量OPD之間的辦法是實現(xiàn)所有三種冷卻方式。請注意，熱透鏡只依賴于OPD的形狀，而不是其絕對值，。一個理想的薄透鏡 OPD是拋物線形。正如在參考文獻(xiàn) 9所討論的，在一階近似，一個長度 為L的縱向泵浦棒的熱透鏡可以形容為薄理想的鏡頭之間夾在兩個不失真激光棒的長度為L/ 2件（空氣中）。這個理想透鏡近似焦距的解析表達(dá)式是：3#其中P是吸收的泵浦功率，二是 P的分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為熱能， WP為泵點(diǎn)半徑和C是一個常數(shù)稱為 特定的焦距。這種特定的焦距只取決于冷卻方法和材料和激光棒的常量。常數(shù)，i在1.04%摻釹：YAG激光和非激光條件下,分別等于0.32和0.43，利

11、用光束傳播法,平均熱透鏡一可#在激光條件下測得，等價于一個拋物線最小二乘擬合計算OPJ這分別產(chǎn)生了特定的焦距約2400,3300和2900mmW/mm2的水冷，藍(lán)寶石板冷卻，以及復(fù)合棒。從實驗和FE代碼的平均熱透鏡之間的協(xié)議在整個泵的范圍內(nèi)，所有的冷卻方法，所有實驗的幾何實驗中最好。這些值不能直接比較，因為實驗條件和幾何形狀不同的冷卻方法不相同。但良好的協(xié)議之間的實驗和數(shù)值模擬提供了良好的效果，F(xiàn)E代碼產(chǎn)生逼真的效果，因此可以被用于不同的情況作進(jìn)一步的數(shù)值分析。2.2.冷卻方法的比較除了使我們能夠比較在相同條件下的冷卻方法，有限元分析允許獲得熱加載的激光棒的機(jī)械和光學(xué)性能的詳細(xì)信息，單獨(dú)的熱透

12、鏡效應(yīng)，如不同的貢獻(xiàn)，彎曲的表面和應(yīng)力引起的扭曲。如圖1所示的四種不同的冷卻技術(shù)相比，使用下列條件的Nd : YAG棒直徑9.5毫米和20毫米的長度。復(fù)合棒由5毫米長的一塊未摻雜的YAG激光泵浦棒為表面。表面與水和空氣接觸，其傳熱系數(shù)分別為 0.67和0.005 W.cmA（-2）.KA（-1）。15W吸收泵功率的泵模塊有 DL-50 光束特性和吸收系數(shù) 3.5打豪thermal pr. erd effec:圖3屈光度功率，在 Nd : YAG激光對不同的冷卻方法分為從熱的一部分，造成末端表面 的彎曲。水泵功率：15瓦，棒直徑：9.5毫米，泵的光斑直徑：0.96毫米。桿與非致冷泵浦 端面的溫度

13、分布計算，最高氣溫在端面中心與上述冷卻水的溫度最高值的59.5 K。任何冷卻泵表面，大大降低了在桿的末端附近的溫度。位于桿內(nèi)部的是最高溫度。水冷顯示減少了約25%的最高溫度。藍(lán)寶石板冷卻減少量約20%。取得最大的溫度降低約35 %的復(fù)合棒，是通過摻雜區(qū)流走熱的一個重要組成部分。圖3有四種不同的冷卻方法的平均球面鏡片比較。總屈光力（D= 1 / F）的熱誘導(dǎo)鏡頭已被分隔在一個純粹的熱的部分，引起產(chǎn)生折射率的溫 度趨向性，以及泵浦端面彎曲的表面所造成的最終的效果。應(yīng)力引起的折射率變化相對較弱，并沒有熱透鏡顯著的貢獻(xiàn)。應(yīng)力雙折射是在第 3節(jié)中討論。由圖3可見，鏡頭的熱冷卻方式的影響不顯著。屈光度功率

14、大約是所有的方法都是相同的，并有一個約2.2米（F =450毫米）的值。這意味著，徑向溫度梯度對所有冷卻的方法泵當(dāng)場程度幾乎相同。相比之下，影響最 終的效果是非常明顯的冷卻方法。泵浦表面的彎曲，從而相應(yīng)的屈光度力量是非常強(qiáng)的非致冷桿和水冷仍然重要。但它大大減少藍(lán)寶石板冷卻，甚至是復(fù)合棒。2.3 .由于熱透鏡效應(yīng)的功率限制TEMOO模半徑內(nèi)的光學(xué)諧振腔的熱透鏡的屈光度電源不同，測量的熱透鏡的變化位置顯著，被無限的穩(wěn)定范圍的邊緣，介于兩者之間采用最低。 屈光度的最大功率范圍內(nèi)，其中包含一個單一的熱透鏡激光諧振器（但不包括自適應(yīng)光學(xué)）是穩(wěn)定的，是由其中D是熱透鏡屈光度功率而 入是激光波長。方程（1）

15、給出了在激光棒的諧振支持穩(wěn)定 的振蕩吸收功率范圍的限制。對于一個具有N棒的激光諧振腔吸收穩(wěn)定運(yùn)行的最大總功率ETiin范圍，因此有在整個穩(wěn)定范圍內(nèi)運(yùn)作的基本模式，諧振器必須設(shè)計TEM0模式的半徑是永遠(yuǎn)不會小于泵 光斑半徑，即 WP = WMM因此，基本模式操作的穩(wěn)定范圍是有限的到由方程（4）,沒有量的腔設(shè)計， 可避免此限制。其中一個諧振器支持穩(wěn)定的基本模式振蕩 的功率范圍是完全取決于激光棒，激光材料的具體焦距（因此冷卻的方法和材料特性）和吸收小數(shù)？泵浦功率轉(zhuǎn)換為熱能。對于邊緣冷卻的Nd: YAG（TI= 0.32）桿無臉冷卻（見圖IA）泵的最大功率范圍內(nèi)穩(wěn)定的基本模式操作被認(rèn)為是激光棒的19%

16、, W（cf=1400 mm.W/m即$）在第4節(jié)討論一種新型的諧振器，是專門為使用多棒諧振器的功率縮放的3 .應(yīng)力和應(yīng)力雙折射雖然折射率的應(yīng)力引起的變化不顯著貢獻(xiàn)的熱透鏡，他們有一個光的偏振的強(qiáng)烈沖擊。應(yīng)力雙折射，因此可能導(dǎo)致顯著的功率損耗67uncooledr (mm)sapphire!ate cooledcompasHe rod圖4.。兆帕最高的主應(yīng)力分布。兩個等壓線之間的差別是8.5兆帕。箭頭指示的拉應(yīng)力的最大值及其位置。水泵的功率是15瓦，集中到一個與直徑的0.96毫米的點(diǎn)。吸聲系數(shù)是3.5C 礦-自）圖5.雙折射非致冷端面泵浦功率在計算。C）計算泵的光斑半徑為b)c)50 W的激光

17、棒A）測量和B）與泵的光斑半徑為0.5毫米1.5 mm的雙折射。亮的地方對應(yīng)的去極化損失。激光諧振器與偏光元素。 熱致雙折射是由于更強(qiáng)大的內(nèi)在雙折射，可以忽略不計非各向同性的激光基質(zhì)材料。然而，由于激光棒斷裂極限，熱致應(yīng)力，拉伸應(yīng)力，特別是始終對泵浦功 率的限制，YAG斷裂極限約為150MPa的拉應(yīng)力（負(fù)值對應(yīng)的壓應(yīng)力）。對于不同冷卻方法 ND;YAG棒的最高壓力分布將在圖 4討論。晶體結(jié)構(gòu)，泵浦功率和泵光束特性和前面的比較 相同。大的拉應(yīng)力出現(xiàn)在非制冷和水冷棒的情況下，最大值分別為為29 MPa和37 MPA,。這兩種方法都顯示泵的冷卻水在壓力的30%增加表面的中心附近發(fā)生最大應(yīng)力。其他兩個

18、冷卻方法顯示出桿液壓缸的表面，約2-3毫米，這是位于遠(yuǎn)離泵浦末端約14兆帕顯著降低最大應(yīng)力的地方。這些數(shù)字清楚地表明，固態(tài)冷卻泵表面是非常有效地減少了在激光棒的拉 伸應(yīng)力。和50瓦的泵與雙通后，在非制冷端面（圖1A）的激光棒熱致雙折射偏光片有去極化損失，如圖5所示。定性測量（圖 5a）和模擬（圖5b）的連接是目前正在開展的非常好的定量比較。在圖 5a中出現(xiàn)熱誘導(dǎo)的鏡頭的同心條紋。在計算結(jié)果只考慮了雙折射。圖5a和5b，泵的功率是在一個半徑為 0.5毫米的泵產(chǎn)生。對于圖 5c泵心半徑為1.5 mm。所有三 個圖片的晶體直徑 9.5為毫米。有限元模擬被用于比較不同的冷卻方法下激光棒的去極化損 失，

19、對于一個固定的泵 WP光斑半徑=1毫米，一個15瓦的泵功率，三個不同情況下：非致 冷端面，水冷端面的光束半徑 WB遭受損失的分布，和復(fù)合棒如圖6所示。作為一個經(jīng)驗法 則，人們發(fā)現(xiàn)，如果WP和WB都小于一半的激光棒的半徑，那么復(fù)合棒導(dǎo)致去極化損失少。水冷或者非致冷方法在光束半徑大于桿半徑的一半的情況下受到青睞。綜上所述，考慮到平長度14.0%12,0%10,0%8.0%6.0%4.0%2.0%0.0%* 1 F丄空色 4 IJ t W- o=i-1 um-_ -A uncoolcd均熱透鏡和熱致雙折射，復(fù)合棒將在端面泵浦激光器具有實際情況的最佳性能。我們還發(fā)現(xiàn)， waterA composite

20、012345Beam radius wB /mm泵的光斑半徑為1 mm和泵浦功圖6交叉偏光片與光束半徑不同的冷卻方法的去極化損失。率為15 W。桿的摻雜的結(jié)尾部分不應(yīng)該比激光棒半徑短，以避免泵的端面彎曲。熱應(yīng)力對最終的權(quán)力限制在激光材料的拉伸應(yīng)力引起的斷裂。對于側(cè)泵浦Nd : YAG激光器在809 nm的泵浦，這個限制范圍從 150瓦左右，以每厘米的桿泵功率約300 W，主要取決于材料的質(zhì)量和方法（如拋光或化學(xué)其表面蝕刻）。因此，進(jìn)一步的功率調(diào)整涉及使用長棒多棒腔的發(fā)展。在下面一節(jié)討論一種新型的多棒中的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的線性的法布里 珀羅多棒諧振腔。4 .可變配置諧振器變量配置的諧振器（VC

21、R,最初的開發(fā)是以縮放端面泵浦的基本模式激光器功率為目的。由于其特殊的穩(wěn)定性能也非常適合側(cè)面泵浦的高功率激光器的功率縮放。我們本來建議參考13這個新的諧振器架構(gòu)，連同初步的實驗結(jié)果。參考14有從優(yōu)化設(shè)置的研究結(jié)果。 VCR可以在法布里-珀羅配置，或作為一個環(huán)形諧振振蕩。由于在不同的兩種配置穩(wěn)定的條件下，VCR克服一些通常與法布里-珀羅型多連桿諧振穩(wěn)定性問題。隨著普克爾盒VCR之間進(jìn)行切換的兩種配置（因此得名），它提供了一個新的 Q開關(guān)技術(shù)的機(jī)會。相比之下線性多棒諧振器，VCR激光棒，由于諧振器的幾何形狀容易折疊所以很容易實現(xiàn)端面泵浦。VCR個三桿的版本顯示在圖 7a。三個激光棒（LC）端面泵浦

22、泵束 PB。要描述通過 VCR的路徑，它 是有用的考慮之一 VCR十字結(jié)構(gòu)的邊發(fā)生的事情。因為它有一個四分之一波片的雙通鏡子光偏振片P將反映在0C臂（在C臂或者0C臂的返回光路上安裝偏光板。（量子阱的過程中） 也將有其偏振翻轉(zhuǎn) 90 。這意味著，光，如果最初通過偏振分束 P傳輸，其返回到偏振片， 反映，反之亦然。因此，每當(dāng)有一個到位的四分之一波片的光將被迫入展VCR下一個臂，而不是回到它來自何處。如果在所有四個四分之一波板，輕者會遍歷所有四個VCR臂序列。這意味著，該諧振器在環(huán)配置（往返行程:? ? ?）。然而，四分之一波板在缺少一只臂時,反射的光線在鏡邊將從來處將其返回, 個法布里-珀羅諧振

23、器沒有底鏡因為它不會有其極化翻轉(zhuǎn)。在這種情況下，我們有10#圖7.一）三桿版本變量配置的諧振器（VCR）。PB:泵束，立法會：激光晶體（桿），C:涂端面的激光棒（激光輻射 AR泵輻射HR）, P:偏振片。量子阱：四分之一為波板，0C輸出耦合。二）穩(wěn)定 G -圖VCR灰色陰影區(qū)是穩(wěn)定的法布里-珀羅配置區(qū)域，點(diǎn)面積環(huán)配置的穩(wěn)定區(qū)域。QS是一個合適的配置 Q開關(guān)點(diǎn)。四分之一波片構(gòu)成的法布里-珀羅腔（往返，如果量子阱？缺少的兩端：第十一 ？）請注意，偏振片 P和四分之一波片的量子 阱之間的線性偏振模式并不是唯一可能的偏振態(tài)。一個詳細(xì)的分析表明，也有一個圓極化模式，在P的位置，即模式可以描述為兩個部分傳

24、播組件的線性疊加，但相互正交極化事實上，VCR都配置總是散發(fā)出完全非極化輻射。不同的可能適應(yīng)VCR使線性極化輸出將在以后的篇章報告。錄像機(jī)還可以擴(kuò)展到超過三月底使用額外偏振片每增加偏振片P的泵浦激光棒,激光棒的數(shù)量可以由兩個增加。從圖7a中可以看到，VCR的優(yōu)勢之一是它可以端面泵浦很容易，它允許高效的 TEMO操作模式。在傳統(tǒng)的線性多棒諧振器，棒，只能使用分色光束分 離器耦合到激光軸泵輻射縱向泵浦。還值得一提的是，VCR熱致雙折射不會導(dǎo)致功率損耗。去極化光耦合諧振器，它只是在相反的方向傳播。也許最有趣的VCR特性是在穩(wěn)定的條件下，兩種配置之間的差異。穩(wěn)定的法布里-珀羅配置情況。其中，G1和G2

25、是眾所周知的諧振器的參數(shù)，是代表穩(wěn)定，如圖7b所示的G -圖中的灰色陰影區(qū)域。它可以很容易地顯示，環(huán)形諧振腔的穩(wěn)定條件。2g1+g22這種穩(wěn)定的條件是代表由圖7b中的虛線區(qū)域，并提供了比傳統(tǒng)的線性多棒的法布里-珀羅諧振器的重要優(yōu)勢。為了有一個單一的，連續(xù)功率范圍內(nèi)穩(wěn)定的振蕩，一個多棒的法布里-珀羅諧振器必須滿足以下條件：它必須是絕對對稱的（ G1, G2）,所有的熱透鏡必須是平等 的，熱透鏡等距離整個諧振器，以及飛機(jī)結(jié)束之間的距離鏡腔和最近的熱透鏡必須正好是兩 個相鄰的熱透鏡之間的距離的一半。只有在這些條件下， 諧振器與不同的泵浦功率 P1和P2（圖7b）之間的直線，沒有離開灰色穩(wěn)定區(qū)域。更確

26、切地說，與泵浦功率的增加，諧振器 的G -圖表示將P1和P2兩個轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間和背部有多次有桿腔臨行前在任P1或P2的穩(wěn)定區(qū)域，只要一個輕微的不對稱是這個諧振器，也不會再按照直線圖7b，但遵循一個稍微復(fù)雜的跟蹤，留在共聚焦點(diǎn)附近的每一個階段（GI = G2= 0）的穩(wěn)定區(qū)域，頻率較低，在PI和P2點(diǎn)。對于一個有 N個棒腔，由方程（4）穩(wěn)定的振蕩功率范圍將被分成2N單獨(dú)和小功率范圍?？梢詮膱D7b點(diǎn)綴面積的非對稱諧振器不會導(dǎo)致附近的焦點(diǎn)ifthe諧振環(huán)配置任何穩(wěn)定性問題，因為點(diǎn)與G仁G2= 0的穩(wěn)定區(qū)域中為環(huán)形腔。 這意味著，VCR不僅是一個多棒諧振器， 可以很容易地端面泵浦， 它也解決了顯著的穩(wěn)定相

27、關(guān)的問題與多連桿的法布里-珀羅諧振。由于折疊的幾何形狀，它也可以讓一個非常緊湊的設(shè)置。泵浦Nd : YAG激光棒VCR（3毫米直徑，10毫米長）在我們的實驗與光纖芯直徑的光纖耦合二極管激光棒（JOLD-15- CPXF-1,德國耶拿，德國）600時，數(shù)值孔徑為0.2。非制冷泵的棒端面（圖拉）。輸出耦合器（OC）， 有80%的反射率。桿 LC（X）的業(yè)主立案法團(tuán)和結(jié)束之間的距離是14.5厘米和立法會？和LC?兩端之間的距離 29厘米。（環(huán)和法布里-珀羅）在這兩種配置，在泵的最大功率的激光 棒（泵總功率為27瓦），9.0 W每一個基本模式，輸出功率 10W。這相當(dāng)于一個良好的光效 為37%。光-光

28、的斜率效率為53%。由于在第二單元中討論的復(fù)合棒的優(yōu)勢，我們最近使 用的Nd : YAG激光棒5毫米長的非摻雜結(jié)束。泵浦Nd: YAG激光棒VCR （ 3毫米直徑，10毫米長）在我們的實驗與光纖芯直徑的光纖耦合二極管激光棒（JOLD- 15- CPXF- 1,德國耶拿，德國）600pm和數(shù)值孔徑為0.2。非制冷泵的棒端面（圖拉）。輸出耦合器（OC，有80% 的反射率。桿LC（ X）的業(yè)主立案法團(tuán)和結(jié)束之間的距離是14.5厘米，LC和LC?末端之間的距離是29厘米。（環(huán)和法布里 -珀羅）在這兩種配置，在泵的最大功率的激光棒（泵總功 率為27瓦），9.0 W每一個基本模式，輸出功率10W。這相當(dāng)于

29、一個良好的光效為37%。光-光的斜率效率為 53%。由于在第二單元中討論的復(fù)合棒的優(yōu)勢，我們最近使用的 Nd: YAG激光棒5毫米長的非摻雜末端。隨著復(fù)合棒的最大輸出功率為16 W的法布里-珀羅配置和15 W與環(huán)附近的基本模式的光束質(zhì)量配置。這些結(jié)果是有限的 38 W最大可用泵總功率 （每份晶體12.7W）。光效率測定，分別為 42%和39%的法布里-珀羅和環(huán)配置。由于較大的 比我們預(yù)期的基本模式的輸出功率和40%以上的光學(xué)效率的 20-30 W將與三桿VCR獲得通過增加總的泵浦功率復(fù)合棒的焦距。由于環(huán)和法布里-珀羅諧振器不同穩(wěn)定的條件下，VCR提供了一個新的Q開關(guān)技術(shù)的可能性。由此可以看出，

30、從圖 7b,有穩(wěn)定G -圖VCR是穩(wěn)定有一個配置，但在其他配置不穩(wěn)定的 地方。如果，例如，VCR是在QS圖7b所示設(shè)立明顯不對稱諧振點(diǎn)運(yùn)行，激光，是不穩(wěn)定的 法布里-珀羅配置（低 Q）和穩(wěn)定環(huán)配置（高 Q）。此配置的Q開關(guān)技術(shù)已被用來在 VCR 包含三個釹：YAG激光棒與非致冷端面。隨著泵總持續(xù)時間為20 ns和一個脈沖能量0.78mJ（因而峰值功率為 39千瓦）的功率為24瓦，脈沖重復(fù)率在200赫茲。在6.7 kHz的重復(fù)率， 平均輸出功率為 3.0 W與0.45兆焦耳/40 ns的脈沖。這些結(jié)果表明，配置Q開關(guān)是一種有效 的重復(fù)Q開關(guān)為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)置提供承諾VCR激光的新方法。5.高電源側(cè)

31、泵浦激光器雖然基模激光器的輸出功率可使用端面泵浦激光棒VCR遠(yuǎn)高于縮放的權(quán)力，可以實現(xiàn)使用側(cè)泵浦棒。與泵送方的主要問題是防止高的橫向振蕩腔的模式，以避免光束質(zhì)量的退化。 這涉及到雙方的優(yōu)化，泵的配置和諧振器模式的特點(diǎn)。為此，我們已經(jīng)開發(fā)出一種新型泵和可擴(kuò)展計劃，我們稱之為轉(zhuǎn)導(dǎo)，并結(jié)合橫向復(fù)合激光晶體中摻雜的YAG棒的摻釹核心，這是用來集中在該中心的增益激光介質(zhì)。圖8a所示的轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)是在 Paralas系統(tǒng)中使用的抽水計劃的改善。Paralas激光輸出功率 205W，38%的光-光效率。轉(zhuǎn)導(dǎo)包括三個重點(diǎn)元素，允 許地方三個二極管激光棧桿周圍。這些棧通常提供約 160W功率泵每堆疊高度（只有一個棧

32、如圖8a所示）每厘米。（慢軸）交界處的平面布置垂直軸桿。在這架飛機(jī)中，二極管的輻射 聚焦到與桿軸的圓柱形玻璃表面。在快軸，二極管的輻射僅僅是局限于單片轉(zhuǎn)導(dǎo)體的平面拋 光。三倍的幾何形狀，確保同質(zhì)抽桿的中心，因為一個堆棧產(chǎn)生的非均勻泵浦的效果，是其他兩個棧補(bǔ)償。一方面，這有助于減少熱透鏡的非球面像差。另一方面，它允許高效的激光棒抽水的要求，在不降低泵桿直徑的幾何重疊和激射模式的重大損失，位于中心轉(zhuǎn)導(dǎo)桿本身和四周是由其中包含了冷卻水的通道。請注意，這樣的安排并不需要為快軸準(zhǔn)直器等任何額外的光學(xué)，而無動于衷二極管不對。此外，它允許使用非常高的泵浦功率，單位桿長度。單 位桿長度泵浦功率可以部分調(diào)整，通

33、過適當(dāng)選擇的轉(zhuǎn)導(dǎo)體的厚度。在目前的實驗中，分別用三棧包含三個二極管激光棒。 他們提供了一個泵總功率 200瓦的轉(zhuǎn)導(dǎo)體的厚度 8毫米導(dǎo)致泵 的最大功率每單位 250 Wlcm桿長度。在實驗中使用的復(fù)合棒圖8b所示。使用5%的輸出耦合泵總功率200 W的19.6%，光-光的斜率效率獲得，這是與側(cè)泵浦的配置相媲美的33.0 W的最大輸出功率與 M2= 9復(fù)合板。dicKie laser stacked arrayTrans Duel focussing opticsNd YAG redCoolrng water圖.轉(zhuǎn)導(dǎo)抽水計劃（a）和側(cè)面泵浦復(fù)合材料的Nd : YAG棒（二）與摻雜的 YAG晶體中摻

34、釹的核心直徑復(fù)合棒（4毫米），輸出功率為58 W與所？=23。這意味著，雖然輸出功率比較低，由于 減去總功率吸收的復(fù)合棒幾何原因，亮度增加了 4個因素復(fù)合棒。強(qiáng)調(diào)特定功能我們新穎的橫向復(fù)合材料的Nd: YAG棒是使用氟化鋰：F2腔被動Q開關(guān)晶體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這進(jìn)一步降 低了平均光束傳播因子加港=4低。改善側(cè)泵浦激光器的光束質(zhì)量的另一種方法是使用相位板 或分級相輝映。這些元素具有額外的好處，他們可以提供一個高的區(qū)別之間的橫向模式，可用于生成定制設(shè)計的振幅分布的基本模式（如超高斯）。這提供了非常強(qiáng)大的方法來控制輸出光束特性，特別是如果與適應(yīng)機(jī)制相結(jié)合。這些元素的設(shè)計，需要精確的增益介質(zhì)的熱效應(yīng)引起的

35、相位扭曲知識。進(jìn)一步的實驗和數(shù)值研究這些現(xiàn)象，因此具有重大意義。6 .結(jié)論隨著可以傳遞到激光介質(zhì)的泵浦功率不斷增加，熱引起的扭曲和新型諧振器的發(fā)展概念， 其中包括諧振器的結(jié)構(gòu)，泵浦方式和冷卻方法的詳細(xì)分析-越來越重要的。在這里，我們已經(jīng)討論了不同的冷卻方式的熱效應(yīng)的數(shù)值模擬的幫助。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合棒，大多數(shù)的實際情況提供最佳的端面泵浦激光器的性能。一種新型的具有獨(dú)特的穩(wěn)定性能和高功率激光器高光束質(zhì)量的一個新的抽水方案的諧振器的概念已經(jīng)提出。非球面元件的熱扭曲，在更高的功率也應(yīng)占。這很可能會涉及使用腔內(nèi)相位板或分級，與具有自適應(yīng)能力的理論相結(jié)合。REFERENCES1. P J. St. Pier

36、re, D. W. Mordaunt, H. Injeyan, J. G. Berg, R. C. Hilyard, M. E. Weber, M. G. Wickham, G. M. Harpole,R. Senn, Diode array pumped kilowatt laser, IEEE J. Selected Topics Quant. Electr on., 3, pp. 53-58, 1997.2. W. Sch?ne, S. Knoke, S. Schinner, A. Tfinnermann, Diode-pumped CW Nd:YAG lasers with outpu

37、t powers up to 750w, OSA TOPS, Adva need Solid State Lasers 10, pp. 292-295, 1997.3. 5. Fujikawa, T. Kojima, K. Yasui, High-power high-efficie nt diode side-pumped Nd:YAG laser, OSA TOPS,Adva need Solid State Lasers 10, pp. 296-299, 1997.4. J. M. Kay, An in troducti on to fluid mecha nics and heat t

38、ran sfer, 2nd ed. Cambridge, UK: Cambridge, 1963.5. H. Zbinden and R. Weber, Cooling of diode-pumped solid-state lasers, internal report, Un iversity ofBer ne, In stituteofApplied Physics, 1992, p.9.6. W. Koech ner, Absorbed pump power, thermal profile and stresses in a cw pumped Nd:YAG crystal, App

39、!. Opt., 9,pp. 1429-1434, 1985, reprinted 1993.7. R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and Heinz P Weber, Cooling schemes for Ion gitudi nallydiode laser pumped Nd:YAG rods, IEEE J. Qua ntum Electro n., 34, pp. 1046-1053, 1998.8. SESES is distributed by NM, Numerical Modeling GmbH,

40、 CH-8800 Thaiwil, Switzerland.9. V. Magni, Resonators for solid-state lasers with large-volume fimdamental mode and high alig nment stability,Applied Optics, 25, pp. 107-1 17, 1986.10. M. E. Innocenzi, H. T. Yura, C. L. Fincher, and R. A. Fields, Thermal modeling of con ti nu ous-wave en d-pumpedsol

41、id-state lasers, Appl. Phys. Lett., 56, pp. 1831-1833, 1990.1 1. T. Y. Fan, Heat gen eration in Nd:YAG and Yb:YAG, IEEEJ. Qua ntum Electro n., 24, pp. 363-370, 1992.12. B. Neuenschwander, R. Weber, and H. P Weber, Determination ofthe thermal lens in solid-state lasers with stablecavities, IEEE J. Qu

42、antum Electron., 3 1 , pp. 1082-1 087, 1995.13. Th. Graf, J. E. Balmer, R. Weber, H. P Weber, Multi-Nd:YAG-Rod variable-configuration reso nator (VCR) endpumped by multiple diode-laser bars, Optics Com mun icatio ns, 135, pp. 171-178, 1997.14. Th. Graf, M. P. MacDo nald, J. E. Balmer, R. Weber, and

43、H. P. Weber, Variable-Co nfigurati on Reso nator (VCR) withThree Diode-Laser End-Pumped Nd:YAG Rods, OSA TOPS, 10, Advaneed Solid-State Lasers, Orlan do, pp. 370-375,1997, ISBN 1-55752-468-815. J. Marion, Strengthened solid-state laser materials, Appi. Phys. Lett., 47, pp. 694-696, 198516. M. P. Mac

44、Donald, Th. Graf, J. E. Balmer and H. P . Weber, Efficient Polarised Output from En d-Pumped MultirodReson ators, to be published.1 7. K. P. Driedger, R. M. Iffl?.nder, and H. Weber, Multirod resonators for high-power solid-state lasers with improvedbeam quality, IEEE J. Quantum Electron., 24, pp. 6

45、65-674, 1988.18. M. P. MacDonald, Th. Graf, J. E. Balmer, H. P. Weber, Highly efficient Nd:YAG multi-composite-rod laser, OSAconference on Advaneed Solid-State Lasers, ASSL,Boston, MA, USA, January 31 -February 3, 1999, Paper: MEl 119. M. P. MacDonald, Th. Graf, J. E. Bahner, H. P. Weber, Configuration Q-switching in a Diode-Pumped MultirodVariable-Configuration Resonator, IEEE J. Quantum Electron., 34, pp. 366-371, 1998.20. R. Weber, B. Neuenschwander, H.P Weber, Thermal E