高光束质量高稳定性的二极管泵浦板条激光器广泛应用于工业、医学、军事等领域。板条激光器采用透镜耦合的线状光斑泵浦，与光纤耦合相比具有成本低、结构简单、性能稳定的显著优势。然而现有的线状泵浦基模激光器普遍存在较严重的像散，表现为光腰尺寸、光腰位置和光束质量数值在水平和竖直两方向非对称；同时稳腔激光器按传统设计理论将工作点选取在稳定区，致使热稳区较窄而且谐振腔体积庞大。如何在短腔匹配线状泵浦光斑并实现高对称性的稳定基模输出是设计难点。本项目将突破传统热稳腔理论的认识，首次预测并验证线状泵浦板条激光器可以在临界区（热稳区的边沿）稳定工作。本项目将针对该型激光器的特殊热效应提出确定动态工作点的新机理，以此为指导实现短腔对线状泵浦光斑的高效匹配，并发展横模控制技术，全面矫正基模像散，实现光束的光腰尺寸、光腰位置和光束质量数值的对称化。最后开展非线性频率变换，获得腔内倍频的无像散基模输出。

本项目针对线状端面泵浦的板条激光振荡器开展研究，此类激光器的应用受到谐振腔体积大、热稳区窄、输出光斑像散严重等因素的制约。本项目通过采用准共心腔型、选取位于热稳区边沿的动态工作点，以短腔大模式体积高度匹配线状泵浦光斑，同时实现了具有高度圆对称性的稳定基模输出。本项目完成的主要研究工作包括：1）建立了线状端泵准共心腔板条激光器的热力学模型。热分析表明该腔型中晶体表现出的热透镜效应与腔内基模尺寸有关，高阶热效应造成的等效透镜效应是慢轴方向热透镜的重要组成部分；2）由于常规的动态工作点确定方法不适用于该型激光器特殊的热效应，因而提出了新机理研究横模控制机制。理论研究表明该型激光器的慢轴方向工作点选取在热稳区边沿时，可稳定工作并获得大基模体积；3）将高阶热效应视为对波振面的相位调制，提出了热致模式耦合的概念，并构建了基于多横模竞争和热致模式耦合的速率方程模型，精确描述慢轴方向不同基模尺寸下的输出特性；4）开展线状端泵准共心直腔振荡器的实验研究，对于线状泵浦光斑长度为2.57～9.44mm的情况下均获得基模输出，同时输出基模宽度对泵浦功率变化不敏感，实验表明热稳区边沿可稳定工作，验证了动态工作点新机理对横模控制的有效性；5）激光器在90W泵浦功率下获得基模连续输出24.5W，光光效率为27%，谐振腔长度为8.8cm，进一步基于横模控制技术实现了基模光束的光束质量数值、光腰尺寸和光腰位置三个参数在水平和竖直两个方向的对称化；6）振荡器实现了脉冲重频30kHz、脉冲宽度10ns、平均功率22.6W的基频脉冲输出，并获得了腔内二倍频和三倍频的基模输出。二倍频的最高输出功率为14.2W，二倍频转换效率为62.8%；三倍频的最高输出功率为7.5W，三倍频转换效率为33.1%。以上研究结果表明，本项目针对线状泵浦激光器给出了确定动态工作点的新机理，首次预测并验证线状泵浦板条激光器可选择临界区工作点获得稳定运转；同时本项目发展了线状泵浦板条激光器的横模控制技术，实现了基模光束的光腰尺寸、光腰位置和M2 因子三项参数的对称化。以上动态工作点的新机理和矫正像散的方法对于该型激光器的设计具有较大的指导意义，也可以推广用于其他类型的板条激光器中。 2100433B

对于棒状激光工作物质，侧面泵浦方式更易获得高功率，连续激光输出。在侧面泵浦方式中。泵浦光吸收分布是否均匀，对提高激光器的输出功率和光光转换效率有极为重要的影响。

棒状激光器侧面泵浦结构中常采用反射腔、柱透镜。为优化泵浦结构，本文提出一种新型泵浦组件。新型泵浦组件为管状（已申请国家发明专利，申请号 201110147755.0）有 n（n 为奇数）个沟槽，沟槽底部为弧形，具有一定曲率半径。在沟槽底部镀有 808nm 增透膜，在外表面两沟槽之间镀有 808nm 高反膜。

玻璃管外面开出沟槽，沟槽底部为具有一定曲率半径的弧形，与玻璃管内壁形成凹透镜结构，对泵浦光进行发散。对应沟槽底部的曲率半径不同，从而构造出发散能力不同的凹透镜结构。根据环绕激光棒空间分布半导体阵列数量的不同，所开沟槽数目可变。本实验采用的为经过快轴准直的半导体阵列。半导体阵列发出的泵浦光，快轴方向可以近似认为是平行光。根据厂家提供商导体阵列性能可知，经准直光束在快轴方向 0.6mm 范围内，包含了泵浦光全部能量。则近似认为泵浦光束为厚度为 0.6mm 的平行光。在同时考虑玻璃管材质，玻璃管厚度，冷却水层厚度，和激光棒尺寸，使用 ZEMAX 软件对泵浦光在激光棒内分布进行模拟。经 ZEMAX 模拟可以获得泵浦光经过新型玻璃管在激光棒上形成的几何分布。从而得出符合设计要求的泵浦组件参数。

经过 ZEMAX 模拟可得，对直径 7mm 棒沟槽底部曲率半径为 0.7mm；对于直径 8mm 棒，沟槽底部曲率半径为 0.65mm，管壁厚度为 3.5mm。

棒状激光器棒状激光介质热效应的理论分析

在半导体泵浦棒状激光器中，由于泵浦光能量未能全部转换成激光输出，在棒状激光工作介质中会产生较多的损耗热，其产生的主要原因有：

(1) 泵浦带与激光上能级之间的光子能量差以热的形式散逸到激光晶体基质中，造成量子亏损发热。

(2) 激光下能级与基态能级之间的能量差转换为耗散热。

(3) 因为激光跃迁过程中的荧光量子效率小于 1，所以除了产生激光外，其余能量产生热。

棒状激光器棒状工作介质温度分布

对于采用侧面泵浦方式的棒状激光器，激光棒是浸没在冷却液中。激光棒所产生的热通过棒表面流过的冷却液进行冷却。简化分析，可假设激光棒内部发热均匀，激光棒光学无限长，表面均匀冷却。这种情况下热流仅在径向，轴向上冷却液温度的端面效应和小的变化可以忽略。

棒状激光器棒状工作介质光弹效应和热应力双折射

通过前两个小节的分析可以看出，Nd:YAG 激光工作物质中的温度分布的不均匀会产生热应力，进一步会通过光弹效应使折射率发生变化，使原来的各向同性材料变为各向异性，即产生热应力双折射。

由于 Nd:YAG 单晶激光晶体是立方晶体，所以其光率体是一个圆球，但是它在热应力的作用下变为椭球。考虑常用的 Nd:YAG 单晶多用[1 1 1]方向，此时Nd:YAG 棒的圆柱轴呈[1 1 1]方向，晶体沿着此方向生长，激光也沿着此方向传播，因此分析主要考虑[1 1 1]方向的折射率变化。

棒状激光器棒状工作介质热焦距测量方法

对大功率棒状固态激光器而言，热透镜效应对激光器性能有较大影响。同时在固体激光器热稳腔的设计中，也需要知道激光棒的热透镜焦距值。所以，要获得激光棒的热透镜焦距值。通常测量热透镜焦距的方法有探测光束法、相干测量法、横模拍频法，利用光斑半径、发散角和热焦距关系式间接测量等测量方法。本文采用一种简单的测量连续大功率激光器热透镜焦距的方法。在大功率激光输出时，利用谐振腔的临界稳定条件计算有效热透镜的焦距。平行平面 谐振腔的临界稳定点是对工作介质的热透镜敏感函数。可以通过激光器的输出功率测量，记录由于有效热焦距使谐振腔通过特殊临界稳定的点，就能获得有效地热焦距值。

采用基于增益光栅的自适应环形激光谐振腔结构，开展种子注入调Q脉冲单频激光器稳频机理研究，提高单频输出激光的频率稳定性、可靠性和抗干扰能力。研究增益光栅的二维动态特性，获得增加增益光栅的横向光场变化范围的途径；研究在腔内插入相关元件变换腔内光束尺寸方法，抑制相位共轭反射率不一致，消除相互作用光束的横向形状和光束位置变化对稳频的影响，揭示种子注入环形激光谐振腔扩展增益光栅作用区域稳频的机理；优化谐振腔光学元件的参数，获得高重复频率、大脉冲能量、高光束质量的调Q脉冲单频稳频激光输出；研究稳频系统的抗干扰特性，获得具有自主知识产权的关键技术，为探索调Q脉冲单频稳频激光器可靠性的提高提供一新途径，为激光雷达、光电对抗等系统的研究提供支撑。

半导体激光器可分为侧面泵浦激光器和端面泵浦激光器两种。相对于侧面泵浦方式，端面泵浦的效率较高。这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些。

正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。