【摘要】：固體板條激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)、全電運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)加工、科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而在高平均功率的工作狀態(tài)下,固體板條激光器的抽運(yùn)光在為增益介質(zhì)提供能量的同時(shí),伴隨產(chǎn)生大量無用的熱量,導(dǎo)致諸如熱透鏡、熱致雙折射等“熱效應(yīng)”,顯著限制了光束質(zhì)量。如何在高平均功率輸出下獲得高光束質(zhì)量始終是本領(lǐng)域面臨的重大科學(xué)問題。雖然光束沿“之”字形路徑傳播可有效平衡板條窄方向的熱畸變,但寬方向像差缺乏相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制,導(dǎo)致輸出光束包含幅值數(shù)十甚至上百個(gè)波長(zhǎng)的離焦和像散等低階像差,顯著超越了常規(guī)變形鏡的校正能力,難以直接通過自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)改善光束質(zhì)量。此外為了保證散熱能力,板條增益介質(zhì)的厚度較小,導(dǎo)致輸出光束呈小寬高比矩形(通常小于1:5),而通常應(yīng)用場(chǎng)合要求光束為圓形或正方形。為解決上述問題,本文以固體板條激光器低階像差校正技術(shù)為主線,以提升光束質(zhì)量為目標(biāo),重點(diǎn)研究如何同時(shí)解決低階像差校正與光束尺寸匹配的問題,最終獲取近衍射極限的光束質(zhì)量。論文的主要研究?jī)?nèi)容可分為以下四個(gè)部分:首先,通過對(duì)現(xiàn)有的像差校正技術(shù)進(jìn)行歸納和分析,并結(jié)合固體板條激光器的像差特性和實(shí)際應(yīng)用需求,提出了一種約束條件下的低階像差自動(dòng)校正方法,通過建立輸出及輸入光束的像差、尺寸與透鏡間隔之間數(shù)學(xué)解析關(guān)系的方式,同時(shí)解決固體板條激光器出射光束中大幅值低階像差校正和光束尺寸匹配的問題。其次,針對(duì)固體板條激光器具有多個(gè)工作點(diǎn)和在工作點(diǎn)處存在像差擾動(dòng)的問題,基于本文提出的低階像差自動(dòng)校正方法制定了兩種不同的校正策略。并提出以光束尺寸為約束條件,以光束發(fā)散角為表征低階像差的中間變量,以光線追跡原理為輔助工具的方法,建立了兩種校正策略中輸出及輸入光束的低階像差、尺寸與透鏡間隔之間的數(shù)學(xué)解析關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)低階像差自動(dòng)校正及尺寸匹配提供依據(jù),并通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)上述研究?jī)?nèi)容的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。再次,基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一套傳導(dǎo)冷卻端面泵浦結(jié)構(gòu)的固體板條激光器開展了上述方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。以約束條件下的低階像差自動(dòng)校正技術(shù)為核心,以表征低階像差成分的光束發(fā)散角為反饋信息,以高精度共軸間隔調(diào)整系統(tǒng)為依托,研制了滿足實(shí)際使用需求的低階像差自動(dòng)校正系統(tǒng)。經(jīng)其校正后出射光束的光斑形態(tài)從1.8mm×11mm(1:6)的長(zhǎng)條形變換為22mm×22mm(1:1)的近似正方形,波前PV值從57.26μm減小到1.87μm,光束質(zhì)量得到了明顯的提升,同時(shí)滿足了低階像差自動(dòng)校正與光束尺寸匹配的要求,驗(yàn)證了該方法應(yīng)用于實(shí)際固體板條激光器的可行性。最后,為進(jìn)一步改善固體板條激光器的光束質(zhì)量,采用低階像差自動(dòng)校正系統(tǒng)與自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)協(xié)同工作的技術(shù)方案,并成功應(yīng)用于國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目的5J/6.6ns/200Hz高功率納秒固體板條激光器中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)低階像差自動(dòng)校正系統(tǒng)校正后,光束尺寸從7mm×35mm變換為42mm×44mm,光束質(zhì)量從18.42倍衍射極限提升到了2.86倍衍射極限,同時(shí)解決了該激光器大幅值低階像差成分的校正和光束尺寸匹配的問題;進(jìn)一步采用基于59單元變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)其殘余像差進(jìn)行精細(xì)校正,最終將光束質(zhì)量提升到了1.64倍衍射極限,首次在該類高重復(fù)頻率、大能量納秒激光器中實(shí)現(xiàn)了近衍射極限的光束質(zhì)量。
【圖文】：

5J、脈寬 6.67ns、重復(fù)頻率 200Hz 的 Nd:YAG 固體板條激光器，經(jīng)混合光學(xué)凈化系統(tǒng)校正后實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 2 倍衍射極限的光束質(zhì)量[19]。固體板條激光器在實(shí)際應(yīng)用中面臨著兩個(gè)重要問題。一方面，隨著激光不斷提升，出射光束受“熱效應(yīng)”的影響越來越嚴(yán)重，由“熱效應(yīng)”引像差成分導(dǎo)致其出射光束的波前 PV 值達(dá)到數(shù)十甚至上百個(gè)波長(zhǎng)，使光束激光器功率的提升而非線性下降[20]。另一方面，大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域希望光形或圓形，而固體板條激光器輸出光束為長(zhǎng)條形且寬高比較小(一般小于 了固體板條激光器的應(yīng)用[4]。為解決上述問題，國(guó)內(nèi)外的科研工作者對(duì)像術(shù)開展了一系列的研究工作，旨在提高板條激光器輸出功率的同時(shí)，滿量與光束尺寸匹配的需求。而今，像差校正技術(shù)已經(jīng)成為固體板條激光技術(shù)之一。.1 固體板條激光器像差特性在對(duì)像差校正技術(shù)進(jìn)行歸納和總結(jié)之前，先以傳導(dǎo)冷卻端面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的激光器為例，對(duì)其像差特性進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹和分析。

第一章 緒論性光學(xué)校正技術(shù)、自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)、幾何光學(xué)校正技術(shù)[47]。下面主像差校正技術(shù)進(jìn)行歸納和分析。靜態(tài)相位校正技術(shù)是根據(jù)相位共軛原理，，利用微光學(xué)等加工技術(shù)，加工布與出射光束波前畸變相反的相位板，加入到光路中實(shí)現(xiàn)靜態(tài)像差的校 1-2 所示[48]。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN24

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本文編號(hào)：2618309