基于变透过率腔镜的激光器输出功率优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光器输出功率的优化方法，特别涉及一种基于变透过率腔镜的 激光器输出功率优化方法，属于激光技术领域。
【背景技术】
[0002] 激光具有方向性好、相干性高、功率密度高等特点，在民用及军事领域均有广泛的 应用，可应用于光谱分析、遥感探测、激光雷达及红外制导等领域。为获得低阈值、高效率的 激光输出，激光谐振腔的优化设计非常重要。根据激光器的输出原理可知，对于一定的栗浦 功率及振荡波长，存在一个最佳耦合输出率（即腔镜对振荡光的透过率），使输出功率达到 最大值。
[0003] 对于耦合输出率的优化，目前常用的方法为理论计算结合实验实测。即先通过理 论计算和工程经验确定腔镜的最佳透过率的范围；然后在确定的范围内，按照一定的步长， 制作一系列透过率不同的腔镜；最后采用实验的方法，通过对比采用不同透过率腔镜时激 光器输出功率的大小来确定腔镜透过率的最佳值，实现对输出功率的优化。这种传统的优 化方法不仅费时费力，大大增加了研制费用；且无法同时实现不同栗浦条件下的优化，在工 程应用上非常不便。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决通常激光器无法针对不同工作功率实现在线输出功率 优化的问题，提供一种基于变透过率腔镜的激光输出功率优化方法。
[0005] 本发明结合激光输出波长的调谐特性，采用这一方法，可在不更换谐振腔元件和 不改变谐振腔结构的条件下，实现对不同工作状态下激光输出功率的在线优化。同时，也避 免了因制作多个耦合输出镜所造成的研制成本增加。
[0006] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007] 基于变透过率腔镜的激光输出功率优化方法，其步骤包括：
[0008] 步骤一：依据设计指标对激光输出特性的要求，采用相应原理公式，计算所需栗浦 源的输出功率；
[0009] 步骤二：根据栗浦功率范围及最佳透过率公式计算不同栗浦功率下的最佳透过率 值；
[0010] 步骤三：根据激光器振荡波长的调谐特性确定变透过率腔镜的镀膜要求；
[0011] 步骤四：根据镀膜要求，进行变透过率腔镜制作；
[0012] 步骤五：采用选定的栗浦源及变透过率腔镜搭建激光器系统；
[0013] 步骤六：设定栗浦功率，调节激光谐振腔以获得激光输出；
[0014] 步骤七：对激光波长进行调谐，此时激光器的透过率被调制。测量工作于不同波长 时激光器的输出功率，找出输出功率最大时对应的激光波长，这一波长对应的透过率即为 此栗浦功率下激光器的最佳透过率；
[0015] 步骤八：使激光器稳定工作在最佳透过率处，获得最高输出功率，即实现了激光器 输出功率的在线优化。
[0016] 步骤一中对于不同的激光器系统，其具体计算公式不同。例如，对于常见的连续运 转、四能级激光器来说，当腔镜透过率为最佳时，其输出功率可表示为：
[0018] 式中g。为振荡光的小信号增益，与栗浦功率有关：
[0019] g0= σ τ f n Q n SVB n abPpV/hvL (2)
[0020] σ为受激发射截面积，与增益介质的性质及激光波长相关；τ ,为激光上能级寿 命；nQ为外量子效率，表示有效受激发射粒子数与激发到激光上能级粒子数的比值；η 5为 Stokes因子；两者的乘积为：
[0021] n Q n s= V L/vp (3)
[0022] 激光频率，v p为栗浦光频率。
[0023] η 8为振荡激光模式与栗浦模式的重叠因子所决定的转换效率，对于高斯光束有：
[0025] 其中I为腔内振荡光束的束腰，wP为栗浦光束的束腰。
[0026] n ab为增益介质的吸收效率：n ab= 1-exp (_ a abl)，a ab为增益介质对栗浦光的吸 收系数；1为增益介质长度。Pp为栗浦光功率；V为增益介质体积；h为普朗克常数。A为增 益介质横截面积；δ为除腔镜外的谐振腔内总损耗；^为增益介质的饱和增益：
[0027] Is= hv L/ σ τ f (5)
[0028] 由（1)-(5)式可见，当选定增益介质和谐振腔基本参数后，根据需要输出的激光 功率，可计算出所需栗浦源的栗浦功率。
[0029] 步骤二中，给定栗浦功率，激光谐振腔的最佳透过率可由下式计算：
[0031] 其中1^为腔镜的透过率（即最佳耦合输出率）；g。根据公式⑵计算。Pp的取 值范围为栗浦阈值到根据步骤一计算得到的栗浦功率，由此可得到的取值范围。
[0032] 步骤五中在搭建激光器系统时，所设计的谐振腔需考虑增益介质的热透镜效应， 以保证在整个栗浦功率Ρρ取值范围内均满足稳定振荡条件，并处于稳定区较中心的位置。
[0033] 步骤七中对激光波长的调谐可通过温度调谐、谐振腔长调谐、注入种子波长调谐 (当具有种子激光注入时）等技术手段实现；波长调谐应在增益介质激光中心波长周围较 小的范围内进行，以保证波长调谐所导致的增益变化对输出功率影响不大。
[0034] 与现有优化方法相比，本发明的有益效果是：
[0035] 1、可在不变动元件及结构的条件下，实现对不同栗浦功率及不同工作状态下谐振 腔输出功率的在线优化。
[0036] 2、适应范围广，可用于所有具有较宽光谱调谐范围的各种激光器，实现其输出功 率的优化。
[0037] 3、无需在腔内插入元件，损耗小；优化方法简单、工作可靠、操作方便。
【附图说明】
[0038] 图1为一定栗浦功率下，不同透过率对于的闲频光输出功率；
[0039] 图2为取最佳透过率时，激光系统的输入-输出曲线；
[0040] 图3为栗浦源工作范围内的最佳透过率；
[0041] 图4为腔内振荡信号光及输出闲频光波长随温度的调谐曲线；
[0042] 图5为变透过率腔镜的镀膜要求；
[0043] 图6为制作的变透过腔镜的透过率曲线；
[0044] 图7为应用本发明进行优化所涉及的激光器结构示意图；
[0045] 图8为应用本发明进行优化的实验结果。
【具体实施方式】
[0046] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0047] 本实施例将上述优化方法应用于信号光单谐振的中红外连续运转光学参量振荡 器（0P0)。实施例所涉及的中红外光学参量振荡器基于准相位匹配的MgO:PPLN晶体。此类 光学参量振荡器具有较宽的光谱匹配线宽且具有较好的温度波长调谐特性，因此非常适用 于本发明所涉及的优化方法。具体优化步骤如下：
[0048] 步骤一：设计目标为产生输出功率不小于2W的3. 0 μπι波段中红外激光输出。根 据准相位匹配条件下，三波相互作用的能量守恒及共线条件下的动量守恒关系
[0051] 可得，当栗浦波长为1064nm，工作温度为25°C时，要获得3. 0 μπι波段中红外激光 输出，0Ρ0腔内振荡信号光的波长约为1. 6 μπι，MgO:PPLN晶体的极化周期为30. 5 μπι。其 中，λ ;分别为栗浦光、信号光和闲频光的波长，n^nJPni分别为栗浦光、信号光 和闲频光的折射率，Λ为MgO:PPLN晶体的极化周期。各波长及对应折射率确定后，根据信 号光单谐振三波耦合方程，当光强分布为基模高斯分布时，0P0的工作阈值、增益及闲频光 输出功率的公式为：
[0055] 其中as为信号光在腔内往返一周的损耗，Ts为信号光透过率，ε。为真空中介电常 数，c为真空中光速，drf