近似等效空腔自适应固体激光谐振腔研究

高功率固体激光器腔内介质畸变极大地影响激光的基模输出，本课题开展固体激光器自适应谐振腔技术理论和方法研究，探索自适应光学技术校正谐振腔内畸变以及改善激光输出模式和光束质量的方法。研究建立非均匀介质中谐振腔自再现模型，研究谐振腔状态转移控制的方法，将困难的模式反馈控制问题转化为相对简单的腔型几何量反馈控制问题。研究非均匀介质谐振腔状态逼近特定空腔状态的数理模型和收敛特性；研究介质谐振腔状态等效空腔状态的近似解，寻求状态逼近最优化意义下变形反射腔镜变形量的解析解和数值解；研究典型的固体激光谐振腔内非均匀介质畸变分布特征，指导变形反射腔镜的主要参数设计，并开展以状态转移原理为基础的近似等效空腔自适应谐振腔控制技术实验研究。本课题的研究不仅对深入认识自适应谐振腔改善激光输出模式的物理本质有益，还可能为提高固体激光器可控模式输出提供一种可靠的技术手段，促进高功率高光束质量固体激光物理和技术研究。

本课题以非均匀介质空间光波传播为前提，根据自由空间菲涅耳-基尔霍夫衍射理论，提出了非均匀介质自适应激光谐振腔本征模式自在现模型，该模型充分考虑了限制高功率固体激光输出的主要因素---增益介质热像差对谐振腔输出模式的影响。近似等效空腔自适应谐振腔反馈控制方法借助经典空腔谐振腔理论，根据非均匀介质自适应激光谐振腔本征模式自在现模型，求解使非均匀介质谐振腔状态逼近空腔状态变形反射腔镜的相位补偿量；以特定的空腔状态为控制目标，调整变形腔镜引入的相位变量使非均匀介质畸变谐振腔逼近空腔状态，使非均匀介质谐振腔输出模式与特定空腔输出模式相同，将困难的模式反馈控制问题转化为简单几何变形量反馈控制问题。本课题.1）开展了近似等效空腔自适应固体激光谐振腔的理论研究。以非均匀介质谐振腔自在现模积分方程为出发点，研究认为在激光发散角为零度的近似下，非均匀介质折射率的梯度量对激光器影响相对于非均匀介质像差可以忽略；以谐振腔状态转移思想为指导，在变形反射腔镜镜面与固体激光增益介质像差面共轭的前提下，得到了使非均匀介质固体激光谐振腔状态向空腔状态转移的解析解。.2）确定了变形反射镜对形变量最小分辨率的要求。建立了近似等效空腔自适应固体激光谐振腔数值仿真模型，研究了非均匀介质像差各阶泽尼克分量对固体激光谐振腔衍射损耗和输出光束质量的影响，揭示了像差对谐振腔影响复杂的非线性现象，确定了畸变谐振腔逼近近似等效空腔的最小距离，确定了变形反射镜形变量最小分辨率的充分条件。.3）为了确定腔内介质畸变允许的最大取值范围和近似等效空腔对变形反射腔镜最大范围的要求，建立了典型固体激光器热畸变传输理论模型，得到介质热像差的一般规律；采用最小焦点法、等效腔法和哈特曼波前传感器三种方法测量了不同工作状态下的典型固体激光器介质热效应，为确定变形反射镜行程量最大范围提供了可靠的数据。.4）根据近似等效空腔的原理和状态转移理论，建立了近似等效空腔自适应固体激光谐振腔原理验证平台。变形反射腔镜镜面与固体激光增益介质面有共轭关系；变形腔镜镜面产生使固体激光谐振腔逼近近似等效空腔的相位补偿量后，激光器输出光束质量得到大幅提升，逼近空腔的输出状态，证明了近似等效空腔自适应固体激光谐振腔原理和状态转移原理的正确性。