高功率碟片雷射器諧振腔設計及實驗研究

　　諧振腔設計的首要目標是保證諧振腔的穩定性，其次應該使功率儘可能高、光束質量儘可能的號。然而，輸出功率和光束質量是一對矛盾，我們只能就所關心的指標進行權衡、選取。本項目的最終目的是獲得4kW穩定輸出的碟片雷射器，所以功率是重點關心的指標。受限於實驗碟片的大小和損傷閾值，單碟片能夠輸出的功率不足以達到4kW，因此需要設計多碟片串接的諧振腔。

　　無論是單碟片還是多碟片串接，都要求滿足最佳輸出功率的模式匹配條件，以使輸出功率達到最大。綜上所述，設計目標是碟片上基模尺寸在0.75mm左右的腔型，並且閾值到最大輸出，諧振腔能一直保持穩定。

　　1.2、限制條件

　　對於直腔，腔長受限於腔體的尺寸；對於多碟片串接的諧振腔，由於鏡面的斜入射，導致子午面和弧矢面的穩定性條件存在差異，而入射角不僅受限於腔體的機械尺寸限制，還決定了串接的腔長，進而對輸出功率的穩定性產生影響。理論和實驗均表明，腔長越短，諧振腔的穩定性越好，輸出功率越穩定。

　　2、諧振腔設計

　　2.1、直腔

　　本文所採用的碟片厚度為200μm，直徑9mm。一面鍍1030nm高透膜，一面鍍1030nm高反膜並焊接在熱沉上。因此，只要加一個曲率適當的曲面鏡就可以構成諧振腔，可變參數有腔長、曲率、透過率。

　　由於碟片在低功率下熱焦距很小，幾乎可以認為是無窮大，在高功率下才表現出有限熱焦距，從而對諧振腔的穩定性產生影響。所以，為了保證從低功率到高功率整個過程中諧振腔的穩定性，設計腔型參數的時候遵循由簡到繁、逐步修正的原則。先從靜態穩定性出發確定基本結構參數，然後引入碟片焦距優化參數，最終確定合適的諧振腔參數。

　　靜態穩定性

　　假設碟片光焦度 Dd = 0

　　採用g參數分析，顯然有g1 = 1，g2 = 1 - L/R，由穩定性條件0 ≤ g1g2 ≤ 1知，當L/R = 0.5時諧振腔最穩定。

　　

　　圖 碟片上基模半徑隨腔長和曲率半徑的變化

　　從上圖可以看出，給定腔長，曲面鏡的曲率越大，碟片上的基模尺寸越大；對於給定曲率的輸出鏡，腔長為曲率一半時碟片上的基模尺寸最大。