高能CO-,2-激光器輸出模場(chǎng)畸變的數(shù)值模擬.pdf

1、隨著激光應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，如何改善光束質(zhì)量成為重要的研究課題。激光近、遠(yuǎn)場(chǎng)的模場(chǎng)分布決定了激光的光束質(zhì)量。在高能CO2激光器的應(yīng)用中，可能影響輸出模場(chǎng)分布的主要因素有三個(gè)：腔鏡失調(diào)、增益分布非均勻和腔鏡熱變形。我們所要研究的內(nèi)容就是求出這三種情況下的模場(chǎng)分布，為激光諧振腔的改進(jìn)提供理論依據(jù)。 高能激光器件設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題是如何獲得盡可能大的模體積和好的橫模鑒別能力，以實(shí)現(xiàn)高功率單模運(yùn)轉(zhuǎn)，從而既能從激活物質(zhì)中高效率地提取能量，又能保

2、持高的光束質(zhì)量，非穩(wěn)腔可以滿(mǎn)足以上要求，所以是高能激光器普遍選用的腔型。針對(duì)高能CO2激光器中普遍采用的正支虛共焦非穩(wěn)腔，我們用快速傅里葉變換(FastFourierTransformmethod或FFT)來(lái)得出模場(chǎng)分布。文中介紹了FFT的基本原理和實(shí)際應(yīng)用。它作為現(xiàn)代信號(hào)處理的核心技術(shù)之一，使離散傅里葉變換的運(yùn)算時(shí)間縮短了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)N個(gè)格點(diǎn)的運(yùn)算次數(shù)從N2降為Nlog2N。運(yùn)用FFT的難點(diǎn)在于格點(diǎn)的選取，由于在正支虛共焦非穩(wěn)腔中傳

3、播的初始波是球面波，為了避免無(wú)限次迭代，我們采用了基于高斯函數(shù)的球面波擴(kuò)展坐標(biāo)法，通過(guò)該坐標(biāo)變換把球面波轉(zhuǎn)化為平面波來(lái)傳播。 論文采用FFT方法研究計(jì)算了理想空腔情況下的近、遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布和相位分布；采用薄層增益模型，計(jì)算了因?yàn)樵鲆娼橘|(zhì)橫向流動(dòng)引起的增益分布不均勻?qū)鈭?chǎng)的影響；計(jì)算了腔鏡傾角分別為0μrad，10μrad，50μrad，100μrad的光場(chǎng)及PIB曲線(xiàn)，分析了腔鏡傾斜對(duì)光束性質(zhì)的影響；最后我們計(jì)算了鏡面中心最大變形

4、分別為λ/4和λ/2時(shí)的諧振腔輸出光場(chǎng)分布，同時(shí)給出光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)分布和光束質(zhì)量，分析了形成模分布的原因。 數(shù)值計(jì)算表明，腔鏡失調(diào)、增益分布非均勻和腔鏡熱變形都會(huì)導(dǎo)致模場(chǎng)分布畸變。腔鏡傾斜和熱變形是影響輸出光束質(zhì)量的主要因素，鏡面變形的大小和傾角的大小，直接影響光束的相位分布和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑，而腔內(nèi)增益分布又影響熱變形的分布。激光出光時(shí)間段內(nèi)，由于熱能沉積和變形增加，出光后續(xù)時(shí)刻比出光初始時(shí)刻的光束質(zhì)量差。通過(guò)腔鏡冷卻、改善腔鏡材料、