从理论和实验上研究了从激光器直接输出高阶拉盖尔-高斯(LG)光束和高阶厄密-高斯(HG)光束。首先从理论上研究了高阶LG光束和高阶HG光束的光强分布特性, 并进行数值仿真。在实验研究中, 利用445 nm的蓝光半导体激光器端面泵浦Pr:YLF晶体, 在一定的条件下, 能从平凹腔直接输出640 nm波长高阶LG光束和高阶HG光束。实验结果表明: 从激光腔内输出的高阶LG光束和高阶HG光束与理论仿真基本一致。文中所报道的获得高阶模的实验装置简单, 对产生高阶光束及其应用具有较重要价值。

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了谐振腔在理想情况和高斯反射率平面输出镜倾斜情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明, 腔镜倾斜使激光场模式分布沿发生倾斜的方向向镜边缘偏移, 而且在腔镜倾斜较严重时模式分布发生畸变, 不再是对称的拉盖尔-高斯基模分布。基模本征值随倾斜角增大而变小, 光束远场分布变差。减小高斯分布反射率的膜斑半径, 则能减弱因倾斜引起的模式畸变。

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了圆形高斯镜取不同反射率膜斑半径和中心振幅反射率情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明: 腔内光场分布半径随反射率膜斑半径的减小而增大，中心振幅反射率不影响光场分布半径；反射率膜斑半径影响远场分布，当其数值较小时，在光束的远场分布主峰周围产生弱衍射环；当高斯镜中心全反射时，远场分布随反射率膜斑半径的变化无明显变化；模式本征值随反射率膜斑半径的增大而增大。

为了探究PPLN 外部谐振倍频腔的输出模式，从菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式出发，采用快速傅里叶变换法(FFT)和Fox-Li 迭代法数值模拟高斯反射率圆形平凹倍频腔输出基模的场强分布、相位分布和光束质量M2 因子，同时与圆形双凹倍频腔做了比较。计算结果表明，两类倍频谐振腔输出基模均为高斯分布，腔长变化对两类倍频腔输出光束质量的影响较小。平凹倍频腔输出光束质量M2=1.296，远场发散角θ=58.084 μrad；而双凹倍频腔输出光束质量M2=6.930，θ= 310.56 μrad。平凹倍频腔输出光束质量明显优于双凹倍频腔。

把圆形高斯镜平凹腔自再现模的衍射积分方程转化为有限阶的矩阵方程, 在平面输出镜呈高斯分布的镜面变形时, 数值计算了激光场模式的场强、相位分布和模式本征值。结果表明, 当变形量较小时, 随着变形量的增加, 镜面上光场的分布范围增大, 也就说明模体积增大, 但镜面光场仍保持拉盖尔-高斯光束基模特征, 相位由平面慢慢变得凸起, 远场分布变化不明显。当变形量较大时, 光场分布开始发生畸变。从模式本征值的变化看, 在一定的变形范围内, 本征值下降不多, 说明较小的变形量对激光损耗影响不大, 仍能使激光较稳定输出。在圆形高斯镜平凹腔输出镜发生不大的高斯状变形的情况下, 仍有维持输出高质量激光束的能力。

运用边界元法数值计算了平凹谐振腔具有高斯反射镜情况下的场强分布和相位分布,考察了高斯反射镜谐振腔的模鉴别规律和增大模半径的规律。高斯反射率镜平凹腔可扩大模式本征值差,具有模鉴别能力,中心反射率大小对选模能力也有影响,但对基模半径无影响。同时,高斯镜具有对输出光束整形的功能。

给出了一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法。在高斯准直光束后加一透镜系统,恰当地调整准直高斯光束到某一种汇聚发散的状态。在这种状态下,可使由平凹腔凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径大小相仿,解决了不加透镜系统时,两反射回来光斑直径相差很大,难于对准的问题,提高两光斑的对准精度。实验使用束腰为0.6 mm的氦氖光,其后加一优化好的透镜系统,在889 mm的距离下,对凹面镜曲率半径为50 mm的平凹腔进行对准。得到由凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径分别为4.8 mm和5.1 mm,平凹腔的角度对准精度达到了3.18′。对准好的腔体在点亮LD后,均能出基模光斑。实验结果与理论分析相符,证明了该对准方法结构简单,执行方便。

从菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式出发,运用边界元法数值计算了平凹腔平面镜均匀反射率时倾斜和未倾斜情况下基模的场强分布、相位分布和本征值,同时与高斯反射率平面镜在腔镜倾斜时的情况做了比较.研究表明,腔镜倾斜使激光场模式分布沿发生倾斜的方向向镜边缘偏移,而且在腔镜倾斜较严重时模式分布发生畸变,不再是对称的高斯分布,基模本征值随倾斜角增大而变小,光束远场分布变差.同等条件下,高斯反射率平凹腔腔镜倾斜对谐振腔引起的模畸变小于均匀反射率平凹腔,且基模光场及本征值随镜倾斜的变化关系稍不同于均匀反射率平凹腔.

报道了对平均功率达85 W的高功率、高稳定性全固态绿光激光器谐振腔特性的研究,将高平均功率运转条件下的KTP倍频晶体的热透镜效应等效为一个薄透镜,利用ABCD传输矩阵,通过图解方法定性地讨论了KTP晶体的热透镜效应对谐振腔的稳定性和腔内激光模式的巨大影响,理论分析表明适当大小的倍频晶体热透镜焦距不但可以有效地补偿Nd∶YAG棒的热透镜效应,而且对增大激光介质中的模体积和在倍频晶体处提高功率密度都有积极作用。实验中采用了80个20 W的高功率半导体激光器侧面抽运的单Nd∶YAG棒、两个声光Q开关、高效平-凹谐振腔结构、对大尺寸KTP晶体进行角度偏离法补偿相位失配等技术,并通过对KTP晶体采取适当的冷却方式,最终实现了高功率内腔倍频激光器的高稳定性运转;在抽运功率约为1080 W时,实现了重复频率为20.4 kHz,脉冲宽度230 ns,输出功率达85 W的高功率、高重复频率绿光(532 nm)输出,不稳定性仅为±1.03%。

利用柱坐标下的柯林斯公式,将圆镜平凹腔的衍射积分方程转化为矩阵方程,并对平面镜反射率呈高斯分布的圆镜平凹腔的模场分布进行了数值分析,结果证明平面镜反射率呈高斯分布的圆镜平凹腔具有良好的选模性能。