基于单模功率因子的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔研究

Laser resonators with a large Fresnel number are one of the most efficient and compact way for high power laser output. However, it is very difficult to obtain laser beam with high power and high beam quality from the laser resonator with a large Fresnel number. This project proposed a new evaluation method of the performance of the laser resonators. It is built on the single-mode power factor. The output power of the fundamental mode can be increased though optimizing the single-mode power factor; Using the global optimization algorithm and vector diffraction integral method, the mode characteristic and the single-mode power factor can be calculated. Starting from the toric mirror and pan-like mirror, the global optimization algorithm can be used to search a free-form mirror which can improve the single-mode power factor of the fundamental mode; the analytical model will be developed to research the influence of the free-form mirror on the operation efficiency, the focusing and propagation characteristic of the laser beam and competition ability of the fundamental mode. The free-form mirror resonators will be tested on several type of high power laser system. The aim of the experiment is to improving the output power of the fundamental mode of the free-form mirror resonator to 1.2-1.5 times of that of the toric concave mirror resonator. This type of resonator would be used in the fields like high power laser system, laser remote processing and high power laser weapon.

大菲涅尔数谐振腔是获得高功率激光输出最紧凑、最高效的方式之一。常用的球面镜谐振腔难以在短增益介质中同时获得高功率和高光束质量的激光输出。本项目提出基于单模功率因子的谐振腔性能评价方法，将自由曲面镜谐振腔设计问题转化为谐振腔基模的单模功率因子的最优化问题。通过优化基模单模功率因子可以最大化谐振腔输出基模功率，改善光束质量。项目应用传输矩阵方法和矢量衍射积分计算单模功率因子，与全局最优化方法结合，以环形凹面镜与平底锅镜面为初始面型，搜索能够提升基模单模功率因子的最佳面型；在多型高功率激光器上进行试验，分析腔镜面型尺寸误差、热变形对输出光束的影响，完善谐振腔性能评价模型，最终探索出一些具有典型意义的自由曲面面型，使之能够显著改善大菲涅尔数谐振腔的工作效率和输出光束质量，将输出基模功率提高到环形凹面镜腔的1.2-1.5倍。该类谐振腔在高功率激光器、激光远程加工及高能激光武器等领域中将获得广泛应用。

大菲涅尔数谐振腔是一种获得高功率激光输出紧凑、高效的方法。一般球面镜谐振腔很难在短增益介质中同时获得高光束质量和高功率激光输出。本项目提出基于单模功率因子的谐振腔性能评价方法，来评价谐振器的性能，并将自由曲面镜谐振腔设计问题转化为谐振腔基模的单模功率因子的最优化问题。项目建立了大菲涅尔数谐振器的理论模型，分析了特定自由曲面镜的模式结构特征，通过优化基模单模功率因子可以最大化谐振腔输出基模功率，改善光束质量。项目利用传输矩阵特征模式方法和矢量衍射积分计算不同谐振器的单模功率因子，将自由曲面镜面型表征为多阶切比雪夫的系数，与全局最优化方法结合，以球面镜、环形凹面镜及平底锅镜面为初始面型，搜索能够提升基模单模功率因子的最佳面型；利用空间光调制器来模拟不同面型镜面自由曲面镜谐振腔在固体激光器上进行试验，分析腔镜面型结构、加工尺寸、热变形等因素对输出光束的影响，完善谐振腔性能评价模型，最终探索出一些具有典型意义的自由曲面面型，使之能够显著改善大菲涅尔数谐振腔的工作效率和输出光束质量，试验结果表明环形凹面镜是一种较优的面型初始解，在此基础上进过优化的谐振器的输出基模功率可以提高到球面镜谐振腔的2-3倍，环形凹面镜腔的1.2-1.5倍，该类谐振腔及相关谐振器设计方法可能小型气体激光器、高功率激光器、激光远程加工等领域中将获得广泛应用。