[论文解读] Multi-pass oscillator layout for high-energy mode-locked thin-disk lasers

K. Schuhmann, K. Kirch+1 more|ArXiv.org|Mar 1, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出一种用于高能量锁模薄盘激光器的多程振荡器结构，采用串联的光学稳定区段与软孔径效应，实现脉冲能量扩展的同时不缩小稳定区域。通过在ABCD矩阵中以虚焦距透镜建模孔径效应，该方案使稳定区域扩大至标准4f设计的两倍，从而在极少调整光学元件的前提下实现更高泵浦功率与更多程数。

ABSTRACT

A novel optical layout for a multi-pass resonator is presented paving the way for pulse energy scaling of mode-locked thin-disk lasers. The multi-pass resonator we are proposing consists of a concatenation of nearly identical optical segments. Each segment corresponds to a round-trip in an optically stable cavity containing an active medium exhibiting soft aperture effects. This scheme is apt for energy and power scaling because the stability region of this multi-pass resonator contrarily to the 4f-based schemes does not shrink with the number of passes. Simulation of the eigen-mode of this multi-segment resonator requires considering aperture effects. This has been achieved by implementing effective Gaussian apertures into the ABCD-matrix formalism as lenses with imaginary focal length. We conclude proposing a simple way to double the stability region of the state-of-the-art layouts used in industry achievable by a minimal rearrangement of the used optical components.

研究动机与目标

• 解决传统4f结构多程谐振腔在程数增加时稳定区域缩小的局限性。
• 通过在多程中保持强健的稳定区域，实现锁模薄盘激光器的脉冲能量与功率扩展。
• 通过重新设计谐振腔结构，克服现有4f成像方案对热透镜效应的敏感性。
• 将增益介质的软孔径效应整合至ABCD矩阵形式化中，以防止因实际不对称性导致的不稳定间隙。
• 提出一种实用且适用于工业应用的解决方案，仅通过最小化光学元件重新配置即可显著提升稳定性。

提出的方法

• 将多程谐振腔设计为一系列近乎相同的光学稳定区段的串联，每个区段包含一个含具有软孔径效应的增益介质的谐振腔往返。
• 在ABCD矩阵形式化中，通过具有虚焦距的透镜建模增益介质的软孔径行为，表示为等效高斯光阑。
• 通过引入这些等效光阑，模拟多区段谐振腔的本征模特性，以考虑强度相关的增益与损耗变化。
• 将所提出的分段结构的稳定区域与标准4f多程系统进行比较，量化其性能提升。
• 提出一种合并布局，将4f成像级与分段稳定设计结合，仅通过简单调整现有光学元件即可实现。
• 验证新方案的稳定区域不会随区段数量增加而缩小，与4f系统形成鲜明对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在多程薄盘激光器的程数增加时保持或扩展其稳定区域？
• RQ2 增益介质中的软孔径效应对多程谐振腔的稳定性和模场特性有何影响？
• RQ3 能否通过最小化现有光学元件的重新配置，实现稳定区域为标准4f系统两倍的设计？
• RQ4 小的区段间不对称性如何影响多程谐振腔的稳定性？是否可通过有效孔径建模加以缓解？
• RQ5 所提出的布局在工业环境中，使用标准光学元件的实现程度如何？

主要发现

• 所提出的多区段谐振腔在区段数量增加时，其稳定区域保持恒定，而标准4f系统则随程数增加而缩小。
• 通过在ABCD矩阵中引入虚焦距透镜建模软孔径效应，可有效防止因区段间微小不对称性导致的不稳定间隙。
• 合并布局——将4f成像级与分段稳定设计结合——在相同程数下，其稳定区域为标准4f系统的两倍。
• 该方案可实现更高的泵浦功率密度、更大的光束腰斑尺寸，并增加程数，同时不牺牲稳定性。
• 所提出的布局可通过仅重新排列现有4f系统中的光学元件，在工业环境中实现。
• 该设计特别适用于基于SESAM的超快激光器，因为SESAM可置于低强度镜面位置，仅经历一次腔内往返。