高功率固体激光器及其谐振的设计与研究

　　作为高功率固体激光器的热门发展方向之一，碟片激光器以其热效应小、输出功率高、光束质量好、光光效率高、功率可扩展等优良特性，自诞生以来就受到人们的普遍关注。尽管碟片晶体的冷却效果远优于传统的棒状或者板条晶体，然而，在千瓦级状态，即便是碟片激光器的热效应也是不能忽略的。碟片激光器谐振腔可以等效为一个含有透镜的谐振腔。由于碟片激光器热效应的特点及其激光和泵浦光匹配的要求，设计合理的谐振腔结构就显得尤为重要。特别对于碟片激光器的功率扩展特性，更有必要对腔型进行深入的分析和研究。

　单碟片谐振腔设计

　　1、设计目标及限制条件

　　1.1设计目标

　　碟片晶体的厚度为0.2mm，一个表面镀泵浦光和激光的增透膜，另一个表面镀两个波长的高反膜并焊接在热沉上进行冷却。基于这种结构，碟片激光器通常要么采取直腔的形式，即碟片的全反面和输出镜构成谐振腔；要么采取折叠腔的形式，将碟片作为一个折叠镜使用。折叠腔中使用最多的是V型腔。

　　未泵浦状态下的Yb：YAG晶体，对1000nm左右的激光有较强的吸收作用。于是，Yb：YAG的泵浦区会激发1030nm的激光，而Yb：YAG的非泵浦区则对1030nm激光有一定吸收作用，因此可以将Yb：YAG晶体上的泵浦区看作一软光阑。当谐振腔基膜半径太大时，受泵浦区软光阑的影响，将产生严重的腔内损耗，不利于获得较大功率的激光输出；而当基模半径远小于泵浦光斑时，泵浦区的软光阑对高阶模的限制作用将大大减少，不利于获得较好模式的激光输出。因此，基模半径和泵浦光斑半径之间的匹配是碟片激光谐振腔设计中需要平衡的重要矛盾之一。对于碟片激光器，如果想要获得最佳的光束质量（基模输出），则

　　ωo = 0.6ωp - 0.8ωp

　　该值依赖于输出镜透过率和其他损耗的大小，对于6mm*6mm的泵浦光斑，则要求ωo ≈ 2mm；如果想要获得最佳的输出功率，则

　　ωo ≈ 0.2ωp - 0.3ωp

　　泵浦光斑6mm*6mm，则要求ωo ≈ 0.75mm。

　　谐振腔设计的首要目标是保证谐振腔的稳定性，其次应该使功率尽可能高、光束质量尽可能的号。然而，输出功率和光束质量是一对矛盾，我们只能就所关心的指标进行权衡、选取。本项目的最终目的是获得4kW稳定输出的碟片激光器，所以功率是重点关心的指标。受限于实验碟片的大小和损伤阈值，单碟片能够输出的功率不足以达到4kW，因此需要设计多碟片串接的谐振腔。