利用多级激光放大器中M2因子的周期性变化实现对光束质量的主动管理

Beam quality management is an important research topic in high power laser amplifiers. In this project, a method is presented for active beam quality management by periodically changing the M2 factor in multi-stage laser amplifiers. The wavefront of the input beam is modulated by the thermally induced aberrations in the gain medium of the amplifier. The wavefront aberration of the beam changes its sign when it propagates after the focus. Another amplifier is properly positioned to compensate the beam wavefront and finally to improve the beam quality. This process is periodically performed in multi-stage laser amplifiers to realize the active beam quality management..The emphasis is on the propagating rules when an aberrated laser beam propagates in a free space. Experimental studies will be carried out for various laser amplification systems with different parameters, especially for amplifiers with rod or slab gain mediums, or fiber-solid hybrid amplification systems..This research has great significance in the field of laser beam propagating and beam controlling. It is also significant to the practical applications of high power laser amplification systems.

激光光束质量的管理在高功率激光放大系统中是一项非常重要的研究课题。项目利用放大器中增益介质热效应对光束波前的调制，通过空间传播在焦点后获得与初始像差反号的波前畸变，再利用下一级放大器中增益介质自身的热效应对光束的波前进行补偿，从而在多级激光放大器中实现M2因子恶化--改善--再恶化--再改善的周期性变化，通过这一方式达到对激光光束质量主动管理的目的。.重点研究波前具有像差的光束在空间传播的一般规律，搭建不同类型、不同参数的多级激光放大系统进行实验验证，实现这一方法在固体棒状介质、板条状介质以及光纤和固体混合结构等不同类型的放大系统中进行光束质量有效管理的目标。.这一研究对于激光光场的传播与控制具有重要的科学意义，同时在高功率固体激光放大系统中具有重要的应用价值。

本项目研究了一种基于激光波前球差腔外周期再现补偿光束质量的方法，用于以 Nd:YVO4 为增益介质的 MOPA 系统中。.项目通过研究非对称振荡腔中光束波前和光束质量的自再现演化过程，由于振荡腔的两臂输出光束质量的不同，发现要维持腔内自洽，谐振腔内光束质量必然经历改善到恶化以及恶化到改善的过程。基于上述原理，将这一过程在腔外再现，通过合理控制各放大级之间的距离，周期再现激光在谐振腔内的演化过程，在放大器中对光束波前球差进行补偿，光束质量在经过奇数级放大后光束质量恶化，而偶数级放大后光束质量得到改善。.实验搭建了四级 MOPA 系统，最终得到功率 200W、光束质量因子小于 1.5 的激光输出。实验结果表明，通过腔外再现球差补偿的方法，合理控制放大级之间的距离，可以在实现激光功率放大的同时，保持良好的光束质量。项目研究过程中发表论文 9 篇，参加学术会议交流 2 次，培养研究生 4人。