一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法

本发明涉及一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法，具体涉及增益晶体的热透镜效应、组合透镜的实现以及连续光简并腔激光器的搭建，属于激光领域。

背景技术：

1、所产生激光的空间相干性是激光器的一个重要的特性，它能够使激光实现长距离传输。然而，在空间相干性过高时，会出现因为互相之间的干涉出现散斑现象，这在图像成像和材料加工等领域制造了障碍。为了解决由于高空间相干性所引起的散斑噪声的问题，人们开发了许多方法来降低激光的空间相干性，其中主要包括机械振动法和光电法两种。机械振动法通过随时间变化的相位延迟来降低激光光束的空间相干性。旋转毛玻璃法和高频振动扫描微镜等都是较为常用的方法，但它们需要进行机械移动，因此速度较慢，不能在时间要求较短的场景下有效抑制散斑噪声。而光电法常常采用声光调制晶体对激光的相位进行调制，从而降低激光光束的空间相干性。这种方法相较于机械振动法能够较为快速的抑制散斑，但其阈值功率较低，而成本则相对较高。简并腔激光器的提出为产生部分相干激光提供了新的思路。简并腔内的各个横模简并，即一次往返后，任何光线都会和自身路径完全重合。根据腔内简并条件、激光的模式理论，可以发现符合简并条件的模式特征频率不包含横模阶数。也就是说，理论上在同一个纵模下，无数横模可以发生简并，尽管在实际中会受到腔内器件的孔径限制，但是已有报道实现十万以上的横模数量。近来有研究利用4f光学系统搭建了简并腔，且通过调节腔内的针孔孔径来实现腔内的模式数量可调，首次利用简并腔产生了低相干性激光。但是由于热透镜效应的影响，泵浦大多采用了脉冲式的泵源，以防止晶体热效应的影响，所以在连续光简并腔激光器中仍旧存在空缺。

2、在激光器的振荡和增益晶体激发过程中，由于各种原因(例如无辐射跃迁、吸收等)，光学元件的温度会升高，不同区域会形成温度梯度。这可能导致增益晶体的光学参数发生变化，并造成激光晶体内部折射率分布的不均匀性，被称为热透镜效应。这种效应会改变激光在空间中的表现，导致模式体积降低和激光的发散角增大，从而降低光束质量，限制激光器的转换效率和输出功率等性能。近年来，针对激光器热效应的解决方案有三个主要思路：首先是从激光器结构出发，通过改变增益介质的物理和几何性质来减少热损耗，从根本上降低热效应的产生。其次，从热设计的角度出发，改善水冷系统以提高散热能力，抑制热效应的生成。例如通过更改水冷系统中冷却液的流动路径以获得更均匀的温度分布。这两种方法可以相互结合，例如将增益介质与冷却系统设计成层叠的结构，以获得更均匀和全面的散热。第三个思路则是从热效应的补偿出发，设计相应的措施来提高光束质量、输出功率等性能，减轻热效应对激光器本身造成的影响。最近出现了一种新思路——利用组合透镜的方式，利用需要避免的热透镜效应，形成一个可计算前后焦点的透镜组，从而组成谐振腔中的结构成分，减少热效应的影响。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是提供一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法，该方法利用增益晶体的热透镜效应，并通过组合透镜的方式实现简并腔激光器，获得了高模式数，低空间相干性，可靠性高的简并腔激光器。

2、本发明实现其发明目的所采取的方法是一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法，其特征在于：所述方法包括利用热透镜效应的简并腔连续光激光器装置，利用热透镜效应搭建高模式数简并腔的方法。

3、本发明所述简并腔激光器装置包括1个高反镜(high reflection mirror)，1个用于组合的凸透镜(len)，1个载有ndyag晶体的连续光侧泵模块(pump)，1个用作傅里叶透镜的凸透镜(len)，1个耦合输出镜(output coupler)。

4、本发明所述的一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法，其特征在于：所述简并腔是一种由变式4f系统所组成的激光谐振腔，其特点是理想情况下谐振腔abcd矩阵为单位矩阵，即任意不超过孔径的光束都会按原路返回，所有方向的光束均可以在腔内振荡，所以理论上可以获得极高的模式数目。

5、本发明所述的一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法，其特征在于：所述热透镜效应是由于晶体受到泵浦光照射不均匀，产生的折射率不均匀，所以晶体可以看作为一个凸透镜的机理。利用组合透镜的方式，可以将需要避免的热透镜效应利用起来，形成简并腔中的一个透镜，从而在连续泵浦中实现简并腔，并且削弱热透镜波动对于简并腔的影响。

6、本发明搭建了一个模式数测量装置，将简并腔产生的光通过一个100mm的凸透镜实现收束，然后将一个ccd安装在滑轨上接收凸透镜焦点后6个位置的光斑，间隔为10mm。然后计算出光斑图像的二阶矩，并通过ccd的像素间隔获得其光斑大小。将光斑大小信息和位置信息作为样本，拟合出光束的双曲线，获得双曲线的参数，从而可以计算出光斑的m2因子，即其模式数。

技术特征：

1.一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法，其特征在于：所述方法包括利用热透镜效应的简并腔连续光激光器装置，利用热透镜效应搭建简并腔的方法，

2.根据权利要求1所述的一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法，其特征在于：所述简并腔是一种由变式4f系统所组成的激光谐振腔，其特点是在理想情况下光束在谐振腔往返一次abcd矩阵为单位矩阵，因此任意不超过孔径的光束都会按原路返回，且相互之间互不干扰，所以理论上可以获得极高的横模数量。

3.根据权利要求1所述的一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法，其特征在于：所述热透镜效应是由于晶体受到泵浦光照射不均匀，产生的折射率不均匀，晶体可以等效为一个凸透镜，利用组合透镜的方式，可以将需要避免的热透镜效应利用起来，形成简并腔中的一个透镜，从而在连续泵浦中实现简并腔，并且减少晶体热效应对于简并腔的影响。

技术总结
本发明公开了一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法。利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器，并且可以通过变式4f系统产生空间部分相干光。本发明利用简并腔产生并实现了低空间相干性光的连续激光输出，并且同时可以解决热透镜效应提高激光器光束质量和模式数，为照明、光通信等领域提供了一种新光源。

技术研发人员：汪莎,朱杰,郭攀,徐梦银
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14