采用空间载频干涉方法在精确测量薄片激光晶体热畸变的基础上,深入研究了射流冲击冷却系统对薄片激光晶体热畸变的影响。实验结果表明,射流冲击冷却系统引起薄片激光晶体的畸变主要是球面形变。随着抽运功率的增加,薄片激光晶体的热畸变越发严重,在抽运区中心部分,以球面形变为主,其光焦度随抽运功率的增加呈线性下降。而在抽运区的边缘,以非球面形变为主,抽运功率越高,非球面畸变就越严重。给出了493 W抽运条件下热畸变的波前畸变曲线,其均方根的重复测量精度为1.153 nm。实验结果与理论分析结果相符,该研究为薄片固体激光器谐振腔的设计和热畸变的补偿提供了重要依据。

为了研究高功率连续激光辐照过程中快反镜的热性能变化问题, 文中利用多物理场仿真分析软件建立了融凝石英(fused silica)、微晶(zerodur)、碳化硅(SiC)三种材料制作的快反镜传热学和结构力学耦合非稳态模型, 通过泽尼克多项式算法对高功率激光辐照快反镜热应力下的光学波前进行拟合。研究结果表明: 在同等激光功率辐照条件下, 微晶材料制作的快反镜温升最小, 形变最小。根据仿真结果优选微晶作为快反镜镜体材料, 基于泽尼克多项式对快反镜波前热畸变进行仿真分析, 计算得到波前热像差以活塞、球差、离焦等为主导, 可为波前校正工程应用提供理论参考。

前期通过实验和理论研究了960线合束光栅在不同功率密度激光辐照下的表面热畸变及远场光束质量,认为基底受热膨胀是导致合束光栅面形质量和光束质量下降的主要原因,但没有对合束光栅表面热量沉积和远场光束质量如何改善进行分析。通过模型改进分析了合束光栅在不同辐照功率密度下的表面温度、热畸变以及远场光束质量的变化,而且计算分析了基底厚度对合束光栅表面温度、热畸变以及远场光束质量的影响,并得出结论:增加基底厚度有利于提高合束光栅的功率耐受性以及衍射光斑的远场光束质量。

为了改善高能固体激光器由于激光增益介质的热畸变限制了激光器在大能量输出时保持高光束质量的能力, 提出一种基于离轴混合腔的高能双板条热容激光器, 并进行了实验研究。实验结果表明该激光器的双板条结构, 具有对温度分布不均匀造成的激光波面畸变实现部分自校正的能力。再配合离轴混合腔的使用, 可大大提高激光器的光束质量。实验中采用了两块尺寸为100 mm×20 mm×500 mm的大尺寸钕玻璃板条, 激光器的阈值泵浦电压大约是2 400 V左右, 斜效率为3.4%。当泵浦电压为3 400 V时, 激光器的输出脉冲能量达到158.07 J。泵浦电压为2 800 V时, 分别对近场和远场的光斑进行测量, 可计算得到非稳腔和稳腔方向的发散角分别为1.245 9 mrad和1.545 9 mrad。

理论分析了基于边缘加热条件下气冷钕玻璃放大器的热致波前畸变, 模拟计算了不同加热温度下钕玻璃片的温度分布和热波前畸变分布, 并进行了实验验证。结果表明, 数值模拟与实验结果能较好地吻合, 在产热率为0.6 W/cm3时, 钕玻璃片产生的热波前畸变随着边缘温度的增加而减小, 而当边缘温度达到90 ℃时, 热波前畸变开始出现反转, 随温度增加而增加。合理设计边缘加热结构和优化加热温度, 能有效抑制气冷钕玻璃放大器的热波前畸变。

When high-power solid laser working in high repetition rate, the laser output wave-front changes due to the thermal distortion, which is caused by the gain medium under the heat deposition. Therefore, the coherent modulation imaging technology is used to realize the measurement of the laser output wave-front from one frame of diffraction intensity recorded. The phases of thermal distortion of the optical element are obtained when the amplifier working in 1, 5, 7 Hz frequency. Experimental results show that thermal distortion effect is significantly increased, the heat is concentrated toward the center region and the phase change increases as the working frequency increases.

高功率固体激光器工作在高重复频率时，增益介质因热量的沉积而发生热畸变，导致激光输出波前发生变化。为此，利用相干调制成像技术通过记录单幅衍射光斑实现输出光场的波前测量，获得了放大器工作在1,5,7 Hz频率时光学元件的热畸变相位。实验结果显示，随着工作频率增大，热量向中心区域集中，热沉积效应明显增加了波前变化。

提出了一种对温度分布不均造成的激光波面实现部分自校正的双板条结构的热容激光器。为了进行波面热畸变可自校正的热容运行方式的原理性演示验证及建立可靠的技术基础，本文建立了闪光灯泵浦的以两块尺寸为100 mm×20 mm×500 mm的大尺寸钕玻璃板条为工作介质的激光装置,在实验过程中采用三种耦合输出率分别为20％、53％和67％的平行平板腔，对工作在热容状态下的激光输出进行了测试。20％的耦合输出率过低，会造成腔内功率密度过高导致增益饱和。采用53％的耦合输出腔片在充电电压为3 300 V时，得到213.6 J的输出能量，并且未见饱和。采用耦合输出率为67％的输出腔片，在充电电压为2 200 V时达到激光阈值，阈值输出能量为82.3 J；在充电电压为3 300 V时得到单脉冲输出能量为370.1 J，斜率效率0.013，总体效率为0.94%。

对LD泵浦的掠入射板条放大器链系统激光介质的热效应进行研究。针对掠入射放大器结构建立了相应的热力学模型, 对激光介质的温度场分布、热致波前畸变和热透镜效应进行了详细的理论分析。利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应力及应变的分布情况, 并进一步讨论了板条厚度、泵浦尺寸以及种子光入射角对光程差和热透镜造成的影响。结果表明, 随着泵浦光斑尺寸和种子光入射角的增大, 光程差变小, 热透镜效应减弱；板条厚度对光程差和热透镜的影响较小。模拟计算结果对于预测板条热效应的强弱、热效应的补偿, 以及放大器链结构参数的设计提供了依据。