吴中祥

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

第 卷 第 期 光 学 学 报 ,年 月流动激光非稳定振荡器 、放大器基本特性比较分析吴中祥中国科学院力学研究所 , 北京提 要根据流动激光腔中流动的非平衡混合气体各能态布居数和强辐射相互作用达到稳定振荡的过程和相应的三维分布状态的数值模拟计算结果 , 发展 了相应的振荡器和放大器基本特性的简化计算公式 其计算结果与多种器件、多种腔体的实测结果相符 具体比较分析 流动激光振荡器与放大器的基本特性 , 得到一些基本原则 , 为相应器件的优化设计提供理论依据关键词 流动激光器 , 激光振荡 , 激光放大器大功率激光谐振腔型的优化选择从提高大功率激光器使用效率的角度看 , 要求其腔体有尽可能大的模体积和输出模式有尽 可能小的发散角 正支共焦不稳定腔 图 模体积可充满整个腔体 , 而且其中辐射场的近场分布接近于均匀强度的方形平面波如图 所示 , 而按三维场分布计算〔’, , 口, 并对照 实测结果 ’·可知其远场分布中心亮区时发散角 以衍射极限的倍数 为量度 随几何祸合因子变化如 图 、 表 所示 由此可见 大功率激光器适于选择几何祸合因子 近衍射极限 或 小于三倍衍射极限 的方镜正支共焦不稳定腔〔‘甲户 ‘一一 ‘ 一 一, ‘ ‘ , 护 , , ,一一一 一一一一一二 二工一 一 ‘一 一一 一一‘ ‘ ‘ ‘一 一一 兀仁 , “ 〕 一收稿 日期 年 月 日 收到修改稿 日期 年 月 日期 吴中祥等 流动激光非稳定振荡器、放大器基本特性比较分析谐振腔输出功率的粗估公式按如下原则 , 建立了适用于多种折叠谐振腔输出功率的粗估公式曰在谐振腔 内 , 辐射场分布是 由腔中往返传播的强相干光束按场强叠加形成的腔内饱和增益系数分布 随辐射强度分布的变化规律 , 在均匀加宽为主的条件下 , 即使对于流动激光器 , 也可近似采用川。 、 一 ‘ ,式中 。 为小信号增益 , 为光强 , 为沿流动方向位置 ,益饱和参量 , 如图 所示而 加昌口勺三毛二。巴妇泪七一 们一一为增一, 一 一。取沿光轴各截面上光强为均 匀分布的简化近似假设·一 程折叠腔输出功率的粗估公式川、 卜·’子·分魂几一 ’ 一。 。 、”戈。· 卜 。 。 。 、,︵。︶留一尸二二 一 乙’长尸 ·。艺 川 十仁 一 ‘’” 一 ’ , 刀 一 犷 凡一分 ‘一 ,· 〕, , 一吕当 尸。 一 , 截止藕合因子。 几 一 几 一 · 一 口。艺 川 ,式中 为镜面反射率 , 尸、为对应于 的功率将 式 、 式应用于多种实验器件的多种腔体 , 其计算结果和变化规律都已有的相应实测结果和按波动方程和各能态布居数速率方程三维场分布计算的结果很好地一致川 , 并对一。 月一旅, , 一,一一一些 尚未实测的腔体作了预测 , 得到一些有意义的规律和有益的结论 , 兹举几个计算实例如下气动激光器 表 ,氧碘激光器 表 ,,千瓦级横流放电 激光器 表 ,·氏 。, 川, 广口、多 卜 心、、,沪尸 、‘ “ 弓八次山吵合。。。 , 、之令一 , 喊一光 学 学 手民 卷一 ,一 爪 几 「」因 立 。、 〔咬」一 · 」 」 班“ , ,「一·司 丫。立· ·祠 丫口· 弓· 门 咨刀,’ ” ‘ 丫忍一乙一, 一 , 斤 , 刀 之 , ‘ 全一 几 了氏 立。 全 舀」 卜 镇 、, 、 赴、全 七 卜石 写》 丫 工一、一 , 一 卿 一 , 一 , 自 一 】又 一 一 , 刀 一尸、 , 石声’一己 全 」。 竺 」仍况 一 程折叠正支共焦非稳腔截止藕合因子 。率 岔’等基本特性随小信号增益系数 。 的变化规律如图, 最佳藕合因子 , 最大输出功所示腔体容积 , ’‘ , 大方镜边长 。 。‘ 一 ,期 吴中祥等 流动激光非稳定振荡器、放大器基本特性 比较分析。 二 乙急艺。手万 。。 卜产护多“ 。产厂 八,飞多, ,石二 ,粉‘犷“’淡‘‘二二。 一 ’ 一 ’、 、尸、 ,、尸 厅护一 , 匕 〔‘又刀 , ,’〔万 , 儿 , 石 下下万丁’, 二 下几下犷 八 八 少 厂 又乙召。。 一 , 。 一 , 一 一 ,一 , 一 主 , 。 一谐振腔优化设计的一些原则根据对多种器件 , 多种腔体基本特性的比较 , 分析 例如 中各例 得到谐振腔优化设计的一些基本原则只要选取腔体各 自的最佳藕合因子运转 , 不稳定腔的输 出功率并不低于稳定腔 例如 表 中 、 皿都取实验祸合因子 , 输出功率 非稳腔 丁 二 稳定腔 亚 、 取各 自的最佳藕合因子 , 输出功率 非稳腔 二 稳定腔采用折叠腔 , 增大了小信号增益和最佳藕合因子 , 使正支共焦非稳腔的最佳藕合因子与能获衍射极限的藕合因子接近 , 而不致因要保证获得小的发散角而过多地损失功率 例如表 中 、 ,、 、沿流动方向折叠的腔体有明显的优越性仁” 」, 例如① 同一腔体 介质组合、运转条件 、结构尺寸 、 祸合因子等均相 同 仅将折叠方 向由沿高度改为沿流动方向 , 其输出的模式和功率都接近 功率仅低一 , 表 中 、 但实用的高度和实须的介质流量都可减小一半 , 因而单位流量的效率可提高一·② 采用全高度 、 大镜 片沿流动方 向折叠 的腔体 ,介质流量不变 , 而输出功率和效率却可提高到 一 倍之多 例如 表 中 、 由相应条件下饱和增益系数沿流动方向的变化规律 , 如图 所示 , 显然 , 沿流动方向折叠可多次将流动介质所含激活态能量诱发转化为激光能 , 从而显著提高利用率③ 对于给定的小信号增益 系数 , 折叠次数 , 一的 兀 愈大 , 相应的 。 、。 。 、 凡 。 均愈大 , 根据器件可能提取的激活能潜力或 。保持足够大的分布区域 , 估计沿流动方向可能的最大折叠次数 根据不同条件下 ,嘴一 布一 一 一 口卜皿‘ 坷厂’一’一一从︵尸仁尹一︶口犯了‘公套荞百、、特、叮一眨一韶 口渗‘ ·考一、合, 合 ‘娇犷七之沐︶, , ,。一, 一反二, 一, 一光 学 学 报 卷小信号增益系数和饱和增益 系数沿流动方 向的分布情况 例如 图 一 飞 , 可估计相应的有效激活区范围宁 。 。 。几 二。二一 ,林二一 父亡 、 二 二 乙, 。 。 , 。」一。 。 一, , 一 尸 ”,召 , 一。‘勺又 。咖 一 ’ 一飞奋 一 一脚瓮汾愁丫考曲· 一 · 一· ’二竺‘望’二赞仁〕一 ’卜鹭尸尹 ,入 二半举一一一一百获 即伪父匕 加伪 石不荔犷脚 、一。 。 ,, 召 , 子、 , 一放大器放大倍数的粗估公式激光束在放大器内是单 向、逐程或循环 , 增益放大的 , 在一级近似下益系数表达其增益系数来计算激光放大器的放大倍数的 , 即按、 十 、 ’ , 、 , 一 , , , , ⋯, 通常是采用小信号增式中 台。 为小信号增益系数 , ‘、 、十 、为 程放大的光程长度, 尸 一 , 为第 次放大 , 输出截面上的功率 但是 , 当 、, 、 , 较大时 , 采用 式偏差太大数 , 可得, 因而 , 采用 式表达增益系、 、 、 、 、 斗一二丁一丁不厂一 卜 —尸 、 尸、一 尸人、一 、 、 , 五 , 、, , ⋯式中 尸 一 户 , 为截面面积·设输入功率 尸。经一次放大成为示 按 式有尸 后 , 再逐次放大之前 , 受到损耗的系数为 产 , 如图 所、· 瞬 气护 一。“。 , ,·既爱 尸‘ 一 召尸‘、一 、,, 人 , , , ⋯当, ‘ 十 、 足够大时 , 分别按 式和 式估计的结果, 无论是数值或变化规律 , 都有显著差别 , 如图 所示 , 显然 , 按 式、 式才能正确估算放大器的放大倍数期 吴中祥等 流动激光非稳定振荡器、 放大器基本特性 比较分析么。认满 ,曰沪‘曰曰目卜日气灌夕⋯八︺,曰一 · ,才“拐今“‘ 。式麟摊立资母争 ‘鑫羹 汤“宜砷, ‘一 、,、 。 ,只 。,一 只、, 、一 ,, 一从输出能量与功率的角度比较振荡器与放大器将同样条件的沿流动方向延伸的激活区分别作为多程折叠正支共焦非稳腔或相应的放大器的利用效率进行具体 比较 , 如图 所示 可见 , 无论采用何种相同的输出祸合因子 , 只要其中有部分是用作放大器的 , 就都比全部用作多程折叠正支共焦非稳谐振腔的小得多玩 、 一 认, 卜们 , 刁户一 祝一一 让欲训﹄、户,,叨产口‘护幻﹄司。 , ‘二二,将光束面积分别缩小为 和 八 , 经各段激活区内分别放大 和 次后再扩束倍和 倍截面的光束 即增加放大次数并保持最终的光束截面不变 , 如图 、 所示 其放大倍数与未经缩束 、 扩束的相比 , 可有一定的增大 , 而且 “ 缩束比 ” 、 “ 扩束比 ”较大的 , 放大倍数也增大较多 但是 , 即使经较大的缩束 、扩束后 显然 , 的缩束并在各段激活区内 次的放大 , 已不现实 , 放大倍数也仍然远不及全部作为多程折叠正支共焦非稳腔的从光束模式的角度比较振荡器与放大器将优选的低功率振荡器的输出模式进行放大以获得大功率或大能量的优良模式是放大器光 学 学 报 卷吕一夕盆。· “ ‘一 一、一刀 。 。 , 了书、、一的一种重要用途 , 但是 , 由图 可看到 , 对于给定的 。 、 、 一 , , 输入的模式经放大后 , 其光强较大部分的放大率也较大 , 这将使模式原有的光强起伏更为显著 , 特别是当 以 ,、 , 、 较大而输入模式的光强较小时 , 这种变化更大 , 这将使输入光束中原来并不显著的模式相对地增强 其次,一 定模式的光波阵面 , 在有限截面的激活介质中传播 、 放大 , 必然会因衍射作用而 有 定程度的变形 , 传播距离愈长、变形愈大 , 这两种因素都会使输入的优 良模式经放大后产生一定程度的畸变 , 而沿流动方向多程折叠的正支共焦不稳定腔 , 当输出藕合因子足够大时 , 就可以获得发散角接近衍射极限 当藕合因子 或小于 倍衍射限 当祸合因子妻 的优 良模式 当最佳藕合因子足够大 例如之 时 , 即使输出祸合因子取为 。 的较大值时 ,也不致过多地损失输出功率 , 而在保持有足够激活态能量或足够大小信号增益系数的区域 内 ,当折叠腔的折叠程数愈多 , 最佳藕合因子也愈大 , 也愈有利于选取更大的输出根合因子 , 更能在不损失输出功率的条件下获得更接近衍射极限的发射角 , 因此 , 从光束模式质量考虑 , 也是将全部激活区用作多程折叠正支共焦非稳腔 比将其中部分用作放大器为好放大器的一些不可取代的用途当光强达到器件的材料损坏阑值时 , 再要提高输出能量或功率 , 只能将激光 束扩束后再通过相应较大截面激活区放大 , 如此多次重复行波放大器与行波振荡器 图 、 图 , 当其它条件不变 , 输出藕合因子较小时 , 各次循环的放大率逐次增加 输出藕合因子较大时 , 各次循环的放大率逐次减小 , 直至截止 , 对于适当的输出藕合因子 , 有持续不变的稳定输出 , 而形成行波振荡器 , 此时仅第一程有放大作用入任三斗卜一么一从 一 】、入丁 又 与 川二 闷令毛三曰斗攀二一沪。活 一式一 , 了 。一 ,口份兮匕、期 吴中祥等 流动激光 仁稳定振荡器、放大器基本特性 比较分析参 考 文 献, 夕夕 尹 , , 川仁 〕吴中祥 , 对 计算谐振腔中场分布差分法的校正 物理学报 , 一 , 。 一口 」吴中祥 , 激光器谐振腔中辐射能量密度须按场强叠加计算 物理 学报 , , 舱一二吴中祥 , 横流放电 激光器的增益饱和参量及其变化 中国激 光, , 一〕吴中祥 , 激光器输出功率的粗估公式 物理 学报 , , 一 月仁习 , , , 一 刃￡君口。 ,‘· 。、 , 一 一仁 , , 。 “ , 一尹尸 左夕 刃 , , 一〔 , , 一人 , 艺‘ 。讥 ,、 。。 , , 、 , 夕 〔, ,‘ 夕、 , 〔、、 、 , 。 , ,‘, 、 , 夕‘, 。 歹 ,‘、、 ”’, 刃 , ,一 ,刘 楚泽湘 , 陈丽 令, 吴中祥 , 自持电激励横流 激光器的最佳输出功率 中国激光 , , 一仁叼 陈丽吟 , 楚泽湘 , 吴中祥 , 横流电激励 激光器的二维饱和增益和输出 光 学学报 , , 一〔门 吴中祥 , 沿流动方向折叠腔的优越性 光学学报 ,, 门 一,, 加 画火 。‘, 〔、, 〔·, , ,故 ‘ , ‘ , 勺,、夕之一一 ,,, ,

流动激光非稳定振荡器、放大器基本特性比较分析

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流动激光非稳定振荡器、放大器基本特性比较分析

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