基于增益和折射率导引效应改善MOPA系统光束质量新机理研究

在主振荡功率放大激光系统中（MOPA），由于放大器的非均匀泵浦、材料的非均匀性、增益饱和、衍射效应、热畸变等因素往往会使光束质量不断恶化，一般MOPA系统输出光束质量往往比主振荡激光光束质量差。本项目提出了基于增益导引和折射率导引效应改善端面泵浦MOPA系统光束质量，获得和主振荡激光相比拟的光束质量输出，甚至在主振荡激光光束质量较差的条件下，通过放大器时获得比主振荡激光还好的光束质量输出，研究基于增益导引效应和折射率导引效应改善MOPA系统输出光束质量新机理，初步的实验结果已经验证了该方法的可行性。理论方面建立含有增益导引效应和折射率导引效应的MOPA系统中光束质量传递的理论模型，并通过详细的实验研究，建立泵浦模式、主振光空间分布、泵浦功率条件等参数与导引效应的对应关系，给出如何利用导引效应改善MOPA系统光束质量的具体方案，这对高功率、高亮度激光而言具有一定的理论研究意义和实际应用价值。

传统观点认为，主振功率放大激光器（MOPA）的光束质量随放大将不断恶化，目前报导的实验结果均支持这一结论。本项目突破了传统认识，首次发现了悖于传统观点的新现象，放大过程中光束质量实现提高，实现了高性能的MOPA激光输出。搭建含四级放大器的放大链进行功率扩展，利用热透镜化效应实现级间模式匹配，在连续运转条件下，获得195 W的近衍射极限输出；在脉冲运转下，850 kHz时的平均功率达到了183.5 W，光束质量因子M2 =1.2。定量考察MOPA激光器放大过程中的模式演化规律，观察到常见的光束质量持续恶化情形。优化放大器的泵浦密度分布，首次观察到光束质量随放大持续提高的新现象，并在不同的MOPA平台上实现复现，揭示了高温度梯度和强增益是支配放大器中模式演化的关键因素。建立了增益介质中的产热模型，推导了稳态导热方程并采用有限差分求解，分析了热致折射率对激光模式产生的导引效应；考虑增益饱和效应，考察了增益导引效应对激光模式的影响。理论分析结果表明，放大过程中的模式演化受热致折射率和增益产生的复合导引机制支配。本项目在执行过程中，在国内外重要光学期刊上发表论文12篇，全部为SCI收录，其中5篇发表在OSA主办的著名期刊上。申请发明专利5项。培养了2名博士研究生，均已毕业，其中1名获得北京优秀博士论文奖，1名获得Chorafas青年科学家奖。