论文部分内容阅读
随着激光应用范围的扩大，如何改善光束质量成为重要的研究课题。激光近、远场的模场分布决定了激光的光束质量。在高能CO2激光器的应用中，可能影响输出模场分布的主要因素有三个：腔镜失调、增益分布非均匀和腔镜热变形。我们所要研究的内容就是求出这三种情况下的模场分布，为激光谐振腔的改进提供理论依据。
高能激光器件设计中的主要问题是如何获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转，从而既能从激活物质中高效率地提取能量，又能保持高的光束质量，非稳腔可以满足以上要求，所以是高能激光器普遍选用的腔型。针对高能CO2激光器中普遍采用的正支虚共焦非稳腔，我们用快速傅里叶变换(FastFourierTransformmethod或FFT)来得出模场分布。文中介绍了FFT的基本原理和实际应用。它作为现代信号处理的核心技术之一，使离散傅里叶变换的运算时间缩短了几个数量级，对N个格点的运算次数从N2降为Nlog2N。运用FFT的难点在于格点的选取，由于在正支虚共焦非稳腔中传播的初始波是球面波，为了避免无限次迭代，我们采用了基于高斯函数的球面波扩展坐标法，通过该坐标变换把球面波转化为平面波来传播。
论文采用FFT方法研究计算了理想空腔情况下的近、远场光场分布和相位分布；采用薄层增益模型，计算了因为增益介质横向流动引起的增益分布不均匀对光场的影响；计算了腔镜倾角分别为0μrad，10μrad，50μrad，100μrad的光场及PIB曲线，分析了腔镜倾斜对光束性质的影响；最后我们计算了镜面中心最大变形分别为λ/4和λ/2时的谐振腔输出光场分布，同时给出光场的远场分布和光束质量，分析了形成模分布的原因。
数值计算表明，腔镜失调、增益分布非均匀和腔镜热变形都会导致模场分布畸变。腔镜倾斜和热变形是影响输出光束质量的主要因素，镜面变形的大小和倾角的大小，直接影响光束的相位分布和远场光斑半径，而腔内增益分布又影响热变形的分布。激光出光时间段内，由于热能沉积和变形增加，出光后续时刻比出光初始时刻的光束质量差。通过腔镜冷却、改善腔镜材料、增大反射率以及适当调节腔镜倾斜方向可部分抵消对模场分布的不良影响。数值模拟的结果为激光器的腔型设计和光束质量的改善提供了依据。