为了提高抽运效率、改善抽运均匀性、克服热退偏的影响,建立了一套V型有源镜构型热容激光器,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对激光介质热分布进行了研究。数值模拟充分考虑了内热源的分布不均匀性,分析了激光介质的3维热分布。实验中采用热像仪对激光介质的表面温度进行了无接触测量。数值计算和实验研究结果具有较高的一致性。研究结果表明,该激光器构型对于提高热分布均匀性有较大的帮助。

采用940 nm InGaAs激光二极管(LD)阵列端面抽运片状Yb∶YAG晶体, 谐振腔采用V形有源镜构型, 实现了1030 nm红外激光输出。实验中分别测试了激光器在不同重复频率(1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz)条件下的激光输出特性。当输出耦合镜的反射率为73%, 在抽运能量为7.6 J(功率密度为13 kW/cm2) 时, 1 Hz重复频率输出稳定运行于2.43 J, 光-光转换效率为32%, 斜率效率为54.5%; 10 Hz重复频率输出稳定运行于1.76 J, 光-光转换效率为23.2%, 斜率效率为43.3%。

利用光线追迹法为12 kW激光二极管(LD)阵列抽运的Yb∶YAG激光器设计了一套空心导管型耦合系统并开展了耦合实验, 以研究大功率LD阵列端面抽运结构的高效耦合技术及模拟设计方法。基于LD结构和发光特性, 以高斯型微激射元为基本单位建立单条LD和LD阵列光源模型, 设计了由透镜和镀银板构成的抽运光汇聚传输系统。实验结果表明, 该耦合系统实现了对抽运光的高效耦合, 且强度分布与模拟结果一致。该耦合系统传输损耗低, 反射板的反射率为94%时耦合效率达92.3%; 输出光束具有良好的传输性能, 有效抽运区域接近理论值, 且增益介质表面分布均匀, 满足实验要求。

为了研究布氏角片状激光器能量转换效率，提高激光器系统转换效率，采用实验的方法，对影响片状激光器转换效率的主要因素进行了理论分析并进行了实验验证，取得了能量输出与激光腔内损耗关系的数据。结果表明，多片结构带来的腔内固有损耗导致了激光器总体效率低下，由布氏角构形产生的腔内动态损耗限制了激光器连续工作能力，抽运损耗也对激光器能量转换效率有一定影响。

被动调Q激光器的输出抖动一般较大,为了降低这一输出时间抖动,同时实现激光器的小型化,可以根据增益开关工作原理,利用电源控制抽运功率密度变化,实现被动调Q情况下的增益开关。根据这一原理研制了环形激光二极管(LD)抽运增益开关调Q激光器。这种新型被动调Q激光器的输出能量为30 mJ,输出脉冲宽度约16 ns。实验中将传统的两套抽运源减少为一套,通过控制电源波形直接形成抽运功率的增益台阶脉冲,减少了影响时间跳动的因素。多发次统计测量结果表明,激光脉冲与电源输出外触发信号的时间抖动小于1 μs。根据测量的抽运预脉冲功率稳定性和阶跃脉冲的瞬时抽运功率计算的输出抖动与实验结果基本相符。

根据光线追迹原理,研究用于端面抽运的大面阵激光二极管(LD)抽运源的耦合系统设计。结合当前大口径激光二极管阵列常用的空心导管型耦合系统,分别从耦合效率、抽运强度分布、抽运光传输等方面,讨论大口径激光二极管阵列耦合系统的一般设计准则,提出了将激光二极管阵列单元平面排布改为球面排布的办法。针对100 kW激光二极管阵列,将子阵列作球面排布后,仅用一空心导管来汇聚抽运光,这种设计获得了传输性能优良的大区域均匀分布的抽运场,抽运场起伏小于5%,抽运强度大于20 kW/cm2,耦合效率98%,有效抽运区域内效率达90%。

为了避免片状布儒斯特角结构热容激光器由热退偏造成的腔内高动态损耗,采用双色膜技术研制了V形有源镜结构固体热容激光器.该激光器采用曲率半径为5 m的平凹稳定腔结构,共8片Nd:YAG介质,每片介质表面采用双色膜层设计,每2片构成一个模块,由3支氙灯提供能量,激光器由4个模块构成.在双色膜层上,泵浦光透过率大于95%,对1 064 nm光波反射率大于99.7%.在1 ms脉宽重复频率运转条件下,激光输出随时间下降并渐趋平稳;在5 ms脉宽运转时,单脉冲输出47 J,输出峰值功率达9.4 kW,与计算得到的10.11 kW的峰值输出基本相符.该振荡器的总体电光效率达到了1.2%,通过进一步优化后,具备向更高功率定标放大的潜力.

介绍了一种新型阵列口径的固体片状激光器的设计及初步实验,研究了其激光输出特性.激光器采用2×1阵列的以布儒斯特角放置的片状Nd:YAG激光头模块,并采用氙灯泵浦方式,由平均功率为60 kW电池组电源供电;电源采用大电流恒流放电,对输出放电进行可编程控制.实验得到32 J的单脉冲输出,小信号增益系数为0.047 5 cm-1;泵浦单脉冲运行,脉宽为1～5 ms时,输出能量呈线性增长;当重复频率为20 Hz时,5 ms脉宽比1 ms脉宽输出功率下降30%,其原因是布儒斯特角结构存在时,由热应力引起的热致双折射损耗造成输出下降.

针对传能光纤的高峰值功率激光损伤过程,研究了光纤损伤测试方法.实验装置搭建中增加了定位孔,有利于激光注入光纤对准;分别采用刀口法和CCD法对入射光束不同截面处光斑大小进行了测量,两种方法的测量结果基本一致.参考GJB1487-92激光光学元件测试方法和ISO11245光学表面的激光诱导损伤阈值测试方法,采用N-ON-1损伤测试和有效光斑面积计算方法对芯径为400 μm的石英包层阶跃折射率石英光纤进行了损伤阈值测试.实验发现:光纤损伤部位全部为入射端面,利用200倍显微镜观察光纤端面,出现明显永久性损伤点.最后采用统计学原理和线性拟合等方法得出测试光纤的端面零概率损伤阈值为3.85 GW/cm2.

基于大口径片状Nd∶YAG介质,采用双色膜技术设计并研制了高效率V形有源镜(AM)激光器。该激光器有四个模块,每个模块包含两片大口径Nd∶YAG片状介质。实验结果表明,四模块工作时,该激光器的脉冲输出能量为47 J,全系统效率达到了1.2%,斜率效率约1.3%,与理论预期值符合。同时利用该激光器的模块化设计特点,重点研究了单脉冲激光输出与模块数目的定标放大关系。结果表明,激光器的输出能量与模块数目基本呈线性关系,显示出该多模块有源镜激光器的定标放大优势,适合高平均功率运转。