[其他]基模自放大热稳YAG激光器

说明书

本实用新型属于固体激光器的改进。

激光辐射的能量、模式和输出光束的稳定性是中小功率固体激光器的三项主要指标，在许多应用场合，对激光器的输出光束的基本要求是能量大、模式好、稳定性高。例如，在激光全息照相应用中，为了保证得到清晰的干涉条纹，要求光强分布比较均匀，因此希望激光输出光束为基模，因为高阶横模的光强分布是不均匀的；在激光打孔、焊接、切割、光刻等微型精密加工应用中，为了保证产品的精度，希望激光束具有高度聚焦和高度稳定的性能，也即希望激光器工作在发散角为最小的基模状态，并且对激光腔内各种扰动不敏感；而在激光测距、通讯、雷达及跟踪等远距离应用场合，则既要求输出光束的发散角小(作用距离与发散角的平方根成反比)，又要求输出光束有足够的强度。但是，激光输出的能量、模式和输出光束的稳定性这三者之间往往是互相矛盾、彼此制约的。在一般情况下，要想获得稳定的基模输出，就不得不以降低输出能量作为代价。为解决这一矛盾，国内外同行从谐振腔入手进行了大量的研究，并且取得了不少有益的成果。例如，采用非稳腔结构可以获得大的模体积和接近于衍射极限的输出光束；在稳定控内加望远镜耦合输出，也获得了单脉冲能量接近200MJ的高水平输出。但是所有这些研究工作在激光输出的稳定性方面都没有明显的改进，激光输出的不稳定度一般都在10％左右。

衍射理论的分析表明，在通常的中小功率固体激光器中，由于存在着不可避免的激光棒热透镜效应，使得接近于衍射极限的基模光束的直到小到只有1mm左右。因此，振荡光束只利用了工作物质的极小一部分，而贮存于激光棒中的大部分能量则未被利用，这就是通常的中小功率固体激光器为获得稳定的基模输出而不得不以低效率工作的根本原因。1977年，法国人吉尔·布拉萨特、乔治·布雷特和米歇尔·马托曾提出了一种采用自放大原理的高效率Q开关激光器，在不降低光束质量的情况下获得了短脉冲放大输出束。所谓自放大，即是利用选模振荡输出信号作为种子脉冲，通过处于粒子数反转状态但并未发生振荡的那部分工作物质所产生的光放大。法国人所发明的高效率激光器虽然提高了Q开关固体激光器的输出能量，但是这种结构不便于推广到自由振荡下的固体激光器，因而限制了如激光打印、焊接、切割、光刻等精密加工及激光全息照相、高速摄影等多种工业用途(参见法国专利，证书申请号7729757)。

本实用新型的目的是设计出一种在自由振荡情况下具有基模自放大功能和热稳定性能的固体激光器，从而使激光输出同时兼有能量大、模式好、输出稳定的特点。

本实用新型的结构示意图如附图所示。本激光器的皆振腔不同于一般激光器的直线形谐振腔，它是由凹面全反镜1、光栏2、偏振片8、偏振片6和平面输出镜5所组成的折线形平凹腔，激光棒7置于腔内偏振片8与偏振片6之间。为了保证皆振腔输出光束的光模特性与功率特性保持相对稳定，谐振腔的结构尺寸，即由凹面金反镜l经光栏2和偏振片8至激光棒7的中心(热透镜)的距离L，和由激光棒7的中心经偏振片6至平面输出镜5的距离L₂均根据模象理论的热稳定性判据来选择并采用变换园图解法米确定(参见《复杂光学谐振腔的图解分析方法》，《激光杂志》1979年10月，张光寅)，本激光器中当凹面全反镜1的曲率为一2M时，L₁和L₂分别为．0.96M和0.2M。凹面全反镜1为硬膜全反镜，其反射率不小于99.5％；平面输出镜5的反射率根据输出能量的最佳匹配条件来决定，本激光器中为3O％。偏振片8和偏振片6为介质膜偏振片，其s分量的反射率不小于99.5％，P分量的透过率不小于95％，消光比大于1000，在光路中成布斯特角(56.5°)放置。

由于基模输出光束具有最小的光束直径，而其他高阶横模的光束直径则依次变大，故只需在谐振腔中插入一个适当大小的小孔光栏，便可抑制高阶横模获得基模输出，本买用新型中即采用这种简单的光栏选模法。光栏2尽可能靠近凹面反射镜l放置，光栏孔径的大小按恰好出基模来选择，本激光器中光栏孔径＝1.8mm。