基于复合四镜腔激光器光束合成提高亮度的新机理研究

同时具有高功率和良好光束质量的高亮度激光器在多个领域都有广泛的应用前景，但单个激光器在高功率输出时存在许多不利于保持良好光束质量从而降低激光亮度的因素。复合腔光束合成指将几束中低功率的激光合成一束输出，可有效解决这一问题。本项目提出了一种新型的封闭式"复合四镜腔激光器"光束合成结构，可通过激光腔内两路激光的合成，有效提高输出激光束的亮度。与目前国内外常用的Michelson型复合腔相比，四镜腔的封闭式结构使其有望在高功率下也得到稳定输出，并且其同时具有更优秀的选纵模特性。本项目拟对这种国内外未见报道的"复合四镜腔激光器"的光束合成的物理机制和原理展开系统深入研究，建立双增益四镜腔激光器的理论模型，分析复合腔的纵模调制机理和横模合成规律，对复合四镜腔进行最优化设计，获得可通过复合四镜腔激光器光束合成有效提高输出光束亮度的科学依据。并搭建实验平台，在实验上实现复合四镜腔双光束合成的高亮度输出。

对于单个激光器而言，高功率和高光束质量一直是限制激光器发展的一对矛盾，通常高功率激光器会带来光束质量的恶化。光束合成技术的发展为解决这一问题提供了一条可选的途径，它使许多应用领域单个激光器难以实现的“高亮度”要求成为可能。本课题首次提出并研究了一种新型的二级管泵浦复合四镜腔激光器，可实现两束光腔内合成，有效提高输出激光束的亮度。课题从理论和实验方面综合研究了复合四镜腔的输出功率、光束质量、纵模等各方面特性，主要内容包括：. 从循环场的角度，利用自洽条件和等效反射率，研究了单介质复合四镜腔的理论。给出了单增益介质工作时复合四镜腔阈值增益和损耗的解析表达式，具体分析了复合四镜腔的纵模存在条件。研究了四镜腔中各臂腔长、输出镜反射率等对纵模选择的影响，讨论了复合四镜腔进行最优化设计的方法。. 对含双增益介质复合四镜腔激光器进行了理论研究。利用等效场，提出了等效合成增益的概念，推导出了等效合成增益的精确解析表达式，并给出了当两分束增益接近时的等效合成增益的简化表达式。推导出了双介质复合四镜腔输出功率的理论模型。. 进行了复合四镜腔激光器连续输出的实验研究。在实验上成功得到了双介质同时工作时的高功率单纵模输出。合成光与单束光输出相比有5倍以上的功率攀升，得到的单纵模最大输出功率310mW，单纵模线宽150MHz，单纵模斜效率54%。同时开展了较大功率LD泵浦时复合四镜腔多横模功率合成的实验，有效的验证了等效合成增益的理论模型。. 课题按时依据申请书的计划安排完成了预定任务。在国际高水平期刊上发表学术论文4篇，申请发明专利1项，并获得军队科技进步奖一项。