[发明专利]一种自适应高阶横模激光相干合成装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光相干合成装置，特别是一种利用自适应光学技术提升高阶横模 激光相干特性的单台激光相干合成的装置。

背景技术

高功率(＞1kW)和近衍射极限的高光束质量一直是激光技术的主要研究和发展方 向之一。在很多激光应用领域中，人们都希望激光器具有高功率、高光束质量和高的聚 焦强度，特别是在诸如惯性约束聚变、高能量密度物理、精密激光加工、激光通信、生 物光子研究、激光相干合成等领域更是要求激光具有很好的模式以及高的聚焦功率密 度。基模光束相对高阶横模光束而言具有更小的发散角、更好的光束质量以及更高的可 聚焦功率密度。为了实现激光的基模输出，传统的方法是在谐振腔内加小孔光阑来降低 谐振腔的菲涅尔数(Nf＝a²/λL，a是小孔光阑直径，λ为波长，L为腔长)。这种方法的 实质是使得光斑尺寸较小的基模(≤a)无损耗的通过小孔光阑，使光斑尺寸较大(＞a) 的高阶横模受到阻拦从而无法起振。小孔光阑限模的方法虽然简便易行，却限制了可利 用的横模体积，极大地降低了激光器的输出功率。高阶横模激光的模体积远大于基模体 积，因而可以获得更高的输出功率(参见文献1“Improving the output beam quality of multimode laser resonators，Optics Express.Vol.13，No.7，2722-2730，2005)。相应的研究结果 表明，对同一台激光器，高阶模输出时的功率比基模输出时至少可以提高50％，其中调 Q Nd:YAG激光器输出TEM₄₄模时的功率比输出TEM₀₀模时更是提高了5倍多(参见 文献2“Very high-order pure Laguerre-Gaussian mode selection in a passive Q-switched Nd: YAG laser，Optics Express.Vol.13，No.13，4952-4962，2005)。但是高阶横模激光的光束质量 和可聚焦能力很差，无法满足应用需求。

近年来，国外学者在改善高阶横模激光输出聚焦能力方面做了很多有益的工作(参见文 献3“Transformation of a High order mode intensity distribution to a nearly Gaussian beam”， Proceedings of SPIE.Vol.5147，271-275，2003)通过分析描述高阶横模激光束的厄米特—高斯 光束和拉盖尔—高斯光束表达式可以发现，高阶横模光束的波前相位实际上为球面，其振幅 分布具有若干节线，而且节线两侧存在π相位跃变。这样的相位分布导致高阶横模光束被聚 焦后的光斑也存在若干节线，光斑具有多峰的特征，所以其光束质量和光束的可聚焦能力相 对较差。补偿高阶横模激光束的波面相位以及节线两侧的π相位跃变，实现将多峰结构高阶 横模激光有效地合成转化为高功率密度单主峰激光结构的方法与实验研究，无疑将极大地提 高激光的可聚焦能力，促进激光技术和激光应用的发展。最近几年，以色列科学家A.A. Ishaaya的研究小组在研究如何将高阶横模激光转化为近高斯分布激光的理论和实验方面开 展了一些有益的探索，其中包括基于多个平面镜的方法，以及基于干涉器件和透射式相位器 件的方法(参见文献4-6“Conversion of a high-order mode beam into a nearly Gaussian beam by use of a single interferometric element”，Optics Letters.Vol.28，No.7，504-506，2003； “Efficient Mode Conversion of Laser Beams”，Optics and Photonics News，43，December，2002； “Discontinuous phase elements for transverse mode selection in laser resonators”，Applied PhysicsLetters.Vol.74，No.10，1373-1375，1999)