利用热透镜自动补偿的端泵浦的Nd:YAG激光器

    摘要：在高能固体激光器的研究中，热引起的透镜效应是一个难题。为了补偿它，我们已经研究了基于热效应本身的自动补偿方法。近来，我们证明了一个全新的补偿方案是可行的，它可以用于横向泵浦激光器。现在这一方案已经用于端泵浦的激光系统。热透镜效应的降低能被估计出来亦可通过实验测出。本实验由激光二激管泵浦的Nd:YAG激光器完成，它的最大输出功率是15.6瓦。

基于液相的自适应补偿方案

    激光棒中的热透镜效应可以通过静态的方法如在谐振腔中放置透镜组来补偿。但是这些技术只能校正热透镜的功率系数而不会降低其屈光系数 。当热透镜随激光的功率改变时采用自适应的方法非常有利。近来，我们已经成功的证明了热感应透镜在横向泵浦激光棒的补偿性，是通过放置谐振腔中自适应的补偿元件实现的。第一步，我们采用相应的材料（如磷酸盐玻璃）（它可吸收腔内部一小部分的激光辐射）产生一个依赖于功率变化的补偿透镜。产生在补偿元件中的负热透镜自动地补偿了在激光棒中变化的正透镜（如横向泵浦的Nd:YAG棒）。在实践中很难找到一种材料符合热光补偿最佳时所要求的全部特性（如热的散逸，吸收以及热传导等）。因而，我们采用了一种复合的补偿方案，其中用一层薄薄的液体来产生补偿透镜[6]。采用液体的的优点在于其拥有很高的热散度 ，这就意味只要用很薄的一层和少量的功率即可产生所需的透镜。为了在补偿元件中产生随功率变化的热透镜，需要放射状的热流动，这可以通过在冷却装置的两个玻璃棒之间的缝隙充满补偿流体。这样一来，在补偿元件中由于对腔内激光辐射的吸收而产生的放射状分布的热，就会被吸收。这样就可得到我们所需的随功率变化的温度分布。

    在如上的初始方案中谐振腔补偿元件和补偿透镜必须同激光器中的透镜安装在一起。这一装置可以通过将补偿流体层直接放在其所需的位置.对于横向泵浦激光器，放在两个激光棒的中间。这样，激光棒中温度的分布就转换为补偿介质的接触点的了。这个补偿方案也适用于端泵浦的激光器。这时，补偿流体层要放置在激光晶体的泵浦表面与作为全反镜的玻璃晶体之间。同样的激光晶体中的温度分布就可以转换为靠近补偿流体的接触点的分布，也就是形成了完美的随激光功率变化的补偿热透镜。

端泵浦激光器中热效应

    端泵浦固体激光器可以获得质量很高的光束。由于其泵浦半径较小，它很容易得到基模激光振荡，而边泵浦激光器的泵浦半径很大，高阶模容易振荡。但是端泵浦激光器也有其缺点。

    在端泵浦激光器中，热透镜效应往往比同功率下的横向泵浦激光器强的多。对边泵浦激光器来说，泵浦功率在晶体中分布较为均匀，温度在半径方向就形成了抛物线分布。而端泵浦激光器的泵浦光束通常小于激光晶体的半径，泵浦能量会集中在沿半径方向的中心区域。这样，温度的分布在中间是抛物线而在边缘是呈对数衰减的。

    由于比尔定律，激光晶体的泵浦端面的温度会较高。而在沿轴向朝另一端面，它会逐渐降低，这是泵浦能量被吸收的缘故。激光晶体中这种很不均匀的温度分布因热效应而产生很强的光学畸变。

数值模拟

    为了检验热效应对激光晶体的补偿效果，我们采用有限元的模拟方法。第一步，略去玻璃对泵浦能量的吸收，因为它远小于 的吸收。也略去泵浦光束的偏离。在补偿部分（如激光晶体，补偿流体，玻璃以及周围铜质冷却装置）里温度的分布被模拟为不同厚薄的补偿层和不同的泵浦功率。正如前面分析，大部分的热集中在的泵浦光束所聚焦的 晶体那个端面。虽然补偿流体的温度分布大体可由激光晶体和流体之间的热传导率导出，但腔内被吸收的激光辐射不可忽略。图2显示了激光晶体中沿轴向的模拟温度分布其对应于不同值的泵浦功率。

实验和结果

    在实验中，激光晶体由两个最大输出功率为４０瓦的激光二极管（８０９nm），它们的光束透过玻璃和补偿介质由一组准直透镜叠加并聚焦到激光晶体的端面上。

    激光晶体和玻璃棒都是直径为５毫米长为１５毫米的，谐振腔长度为２５厘米，激光晶体的两个端面都是用AR涂敷的（提高补偿介质的折射率）。玻璃棒对着补偿流体的表面是由HR涂敷的（与激光波长相应）。它们都安装有铜质的水冷系统。激光晶体与玻璃棒之间的缝隙留有微米螺丝大小，使补偿流体的厚度精确度在１微米附近。为了达到补偿的效果，我们采用Nye光学公司生产的偶合光学流体OCF-446，它在５８９纳米的折射率为1.46,其折射率随温度变化系数。流体层的厚度在５０到１５０纳米之间变化以找到最佳的补偿效果。该流体的粘稠度很高，在这样的厚度下不会发生对流，为了判定最佳厚度，先设置一个值然后加大泵浦功率至激光器不稳定为止。之后加大流体的厚度至激光器再次稳定，重复几次以上过程，就可以找到那个最佳厚度。一旦找到这个值就不要改变它了。

    经过补偿的激光器的总的热透镜折射能量可以通过使用６３３纳米氦氖激光器的马赫－曾德尔干涉仪测出。氦氖激光器的光束可用望远镜和分束镜来扩展。光束一部分穿过谐振区，另一部分作为参考光。再用一个分束镜使两光束叠加并产生干涉条纹，用CCD摄相。由于激光在泵浦中要经过干涉仪的一个镜面，这个镜面必须涂敷与泵浦波长匹配的AR。激光能量的输出可用功率计测量。

    这个实验显示了激光谐振腔中全部的热透镜效应可以通过自适应补偿很明显的降低。对１００微米的补偿层，热透镜效应可降低４.３倍；１１５微米的厚的补偿层，可使降低８.７倍。

    由总的热透镜效应的降低有助于提高激光器的泵浦功率，以此来使激光稳定振荡。图６显示了输出功率与吸收的泵浦功率的比较，我们可以清楚地发现未经补偿的与用不同厚度的补偿流体补偿的激光器的差异。

    在同等处理的情况下，２５厘米长的谐振腔，未经补偿时，使激光稳定振荡的泵浦功率上限是１０瓦；而用１００微米补偿层补偿后，它可达到５０瓦，用１１５微米时甚至可达到７０瓦。并且 都不会超过１.９。补偿激光器斜度效率与未经补偿的相当。

结论

    在这次研究中，我们第一次提出对端泵浦激光器的热透镜效应采用自适应补偿，在由激光棒加热的流体层中，由于直接的热接触而形成了一个散焦透镜。这种随功率变化的透镜补偿了激光棒中因热效应形成的聚焦透镜。在实验中，我们计算了腔内总的热透镜的减少量几乎与其是一个数量级的。减少了泵浦功率对总的折射能量的依赖，强有力的提高了激光稳定上限。这个补偿方案的优越之处在于其简单可行，由于利用了热致光学效应，完全是自适应补偿而不需要外部的控制。