新型Nd:YVO4正交线偏振激光器模式动力学特性研究

The orthogonally polarized lasers (OPLs) are widely used in many industrial and scientific research fields. The magneto-optic and electro-optic induced birefringent effects are usually used to get orthogonally polarized laser. The OPL can also be obtained using the additional birefringence element that was inserted into the resonant cavity. In this project, a new kind of OPL was proposed, in which two pieces of Nd:YVO4 crystals with their c-axis being orthogonal are used as the active laser medium. Based on the performance of natural birefringence and polarized emission of Nd:YVO4, the OPL can be built with advantages of simple structure, high efficiency, high power etc. However, the study of the mode dynamic characteristics of this OPL is not complete, and some interesting experimental phenomena should also be explored. Therefore, in this project, the laser dynamic theory and model of the transverse and longitudinal mode will be studied. The oscillation of the orthogonally polarized mode in the cavity can be investigated based on the coupled Rate-equation. The coupling effect of orthogonally polarized mode can be investigated based on the polarized mode coupled equation. The frequency pulling and tuning mechanisms should also be investigated for the longitudinal mode. The noise characteristics and the controlling method of laser noise then can be exposed. According to the above mentioned investigations, a relatively complete mode dynamics theory of our new type of OPL can be built up, and the theory also can be used for the design of laser.

正交偏振激光在工业、科研等领域均有广泛应用。传统正交激光器通过电光、磁光等双折射效应或腔内加入额外的双折射元件来实现正交偏振激光输出。本项目基于申请人首次提出的一种结构简单、有别于传统正交偏振激光器的结构，利用Nd:YVO4的自然双折射及偏振辐射特性，通过腔内c-轴正交的双Nd:YVO4晶体输出正交偏振光，具有结构简单、高效高功率等优点。此种正交偏正激光器的模式动力学模型尚待研究，一些有趣的实验现象也有待进一步解释。本项目拟从横模特性和纵模特性两方面进行激光动力学建模，通过建立偏振耦合速率方程研究偏振模建立和振荡过程，通过建立偏振模耦合方程研究偏振模耦合效应，并研究纵模牵引和调谐机制。通过模式动力学建模进一步研究这类激光器的输出噪声特性，得到噪声抑制的控制方法。本项目研究具有较大的科学意义，通过本项目的研究可以初步的建立一套此类正交偏振激光器的模式动力学理论，并对激光器设计具有指导意义。

本项目针对一种新型正交偏振Nd:YVO4激光器的模式动力学展开研究。这种激光器通过在腔内放置两块a−轴切割Nd:YVO4晶体并保持其c轴相互正交，可以得到正交线偏振激光。正交偏振激光器在测量、全息、医学等领域有广泛医用，但是该种激光器的模式动力学特性尚无研究。本项目从该型激光器的热动力学建模、模式动力学建模及其求解以及动态调谐输出和噪声特性等方面展开理论与实验研究。建立了激光器的稳态热动力学模型，给出了热动力学方程的有限差分求解方法，通过数值计算得到了晶体中的温度场分布，结果表明高泵浦功率、高吸收系数及小的泵浦半径可显著增强晶体中的热效应，同时增益饱和效应将降低激光增益，二者均对模式形成有重要影响。提出了激光器的考虑了增益以及热致折射率对激光模式的复合导引效应，推导了含有复合导引效应的激光模式动力学波动方程，并考虑了偏振模之间的增益耦合与竞争，将波动方程扩展到正交偏振激光器中，得到了正交偏振激光的耦合模式动力学方程组。推导并给出波动方程组的分步傅立叶解法，并在激光振荡器和放大器中进行了验证，证明了激光模式动力学模型的正确性。同时推导给出了波动方程的一种有限差分格式。实验研究了正交偏振激光的动态调谐输出及噪声特性。通过测试激光器偏振模输出特性，证明该激光器输出的激光确为两相互正交的线偏振模。得到了高达32.6W的高功率正交偏振激光输出。进一步实验研究了正交偏振激光的功率调谐特性和增益竞争效应。实验表明，通过分别调谐两晶体的泵浦功率，可以间接调谐正交偏振激光的偏振功率比和总功率。同时实验结果也证明，激光器的功率调谐特性受到正交偏振模之间的增益竞争机制的制约，解释了正交偏振模之间的增益竞争机理及其对功率输出特性的影响机理。理论和实验结果进行对比，证明了增益耦合与竞争对正交偏振激光器横模形成和演化的影响。实验发现了正交偏振激光器的多纵模竞争现象，利用频率牵引及纵模增益竞争理论进行了解释。通过实验研究指出，提高激光器的泵浦输入、晶体温控及实验平台隔振稳定性，可有效改善正交偏振激光器的调谐特性，降低正交偏振激光的输出噪声。研究结果表明，本项目给出的Nd:YVO4 正交线偏振激光器模式动力学理论可以很好解释和预测此型激光器的输出特性，并对于该型激光器的设计具有一定指导意义。