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固体激光器是当前科研、工业和医学等诸多领域中应用最广泛的激光器。在固体激光器的应用中,对光场的分布往往有一定的要求。其中高阶模拉盖尔-高斯光束的场分布具有一些特殊性质,并且是光束质量与功率在一定程度上的折衷,受到了相当的重视。然而固体激光器的光场分布通常与这类光束差别较大,为获得这类光场分布,需要借助光束整形等技术。此外固体激光器的光场受到腔镜倾斜等诸多因素的影响,往往与预期的分布存在偏差。为获取指定的光场分布,有必要对腔镜倾斜进行补偿。本文以生成高阶模拉盖尔-高斯光束及其远场光斑的变换为重点,借助自适应光学技术,开展了一系列光场分布控制的理论和实验研究。
腔镜倾斜对固体激光器的光场分布具有极大的影响。为获得预期的光场分布,首先需要对激光器的腔镜倾斜进行补偿。本文在分析了已有的多种腔镜倾斜校正方法后,针对其原理复杂、影响激光器工作的缺点,首次提出了一种通过在腔外探测腔镜上光斑位置的变化实现自动校正腔镜倾斜的方法,在实验中取得了良好的效果。该方法与现有方法相比,大大简化了系统的结构,而且对激光器的工作几乎没有影响,可在激光器工作过程中对腔镜倾斜进行实时补偿,为下一步获得高阶模拉盖尔-高斯光束创造了条件。
为了控制固体激光器的光场分布,使其输出高阶模拉盖尔-高斯光束,本文在理论上探索了利用渐变相位反射镜使激光器直接输出这类光束的可能性,设计了产生这类光束需要的腔镜相位分布,对谐振腔的模式结构进行了数值计算,并且对腔镜倾斜、腔镜偏心、腔长偏差、腔镜面型误差等因素的影响进行了数值分析,为通过腔内自适应光学技术产生这类光束打下了理论基础。
高阶模拉盖尔-高斯光束的远场强度分布中往往存在多个瓣状或环状结构,导致能量集中度不高。本文首次提出利用变形反射镜对高阶模拉盖尔-高斯光束的相位进行补偿以实现能量集中度的提升。本文阐述了常规夏克-哈特曼波前传感器探测这类光束相位跃变的困难,指出了无波前传感器自适应光学系统的适用性,分析了变形反射镜对相位跃变的校正能力,比较了控制算法中几种常用的性能评价指标,对自适应光学系统校正这类光束的相位跃变和像差进行了数值仿真。结果表明自适应光学系统可以有效提升这类光束远场的能量集中度。