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高功率高光束质量全固态激光器(DPL)一直是国内外激光领域研究的热点之一,在先进制造、激光医疗和前沿科学等众多领域有着广泛、重要的应用。板条形激光介质与传统棒状激光介质相比具有散热面积大、冷却效率高、无一阶热致双折射效应以及泵浦增益高等优点,是目前高功率高光束质量固体激光的主要发展方向。但是在高平均功率条件下,激光光束质量仍然受限于板条固体激光介质热效应引起的畸变。本论文针对这一问题,对高功率准连续全固态板条激光器光束质量控制若干关键技术开展了理论分析和实验研究。运用Zemike多项式对高功率板条激光器激光束波前像差进行分解,激光束波前像差可分解为低阶像差和高阶像差,光束质量控制采用低阶像差和高阶像差分级校正方案。利用透镜组光束整形系统对激光束进行实时光束整形及低阶像差补偿,在此基础上再采用自适应光学系统对高阶像差进行校正,为同时实现高功率与高光束质量全固态激光输出提供了一条可行的技术途径。本文的主要创新性成果如下: 1.透镜组光束整形系统实时补偿低阶像差研究。在对高功率全固态板条激光器激光束中存在像差分析的基础上,设计了透镜组光束整形低阶像差实时补偿系统;该整形系统可对输出激光束进行光束整形(矩形光斑整形为近似正方形光斑),并且在保持整形后光斑形状基本不变下,通过实时调节透镜之间的位置对激光束中的低阶像差(离焦和象散)进行补偿;通过仿真模拟和实验分析,对透镜组光束整形系统低阶像差实时补偿能力进行验证;对于典型的输入大幅度低阶像差PV=66.10λ,RMS=16.05λ,仿真模拟结果为PV=0.48λ,RMS=0.10λ,实验结果为PV=0.50λ,RMS=0.11λ;表明实验结果与仿真模拟符合较好,主要的低阶像差离焦和象散能够缩小数十倍至上百倍。 2.自适应光学系统高阶像差校正研究。自适应光学系统采用无波前传感器结构,利用高速数字相机采集光斑远场光强分布作为评价指标,执行SPGD优化算法控制变形镜校正波前畸变,改善输出光束质量;通过仿真模拟和实验分析验证了自适应光学系统波前畸变校正能力;对于小像差波前畸变以及补偿离焦和象散后的高阶像差波前畸变(RMS≈1λ),校正后光束质量接近衍射极限。 3.10 kW级高功率准连续全固态MOPA Nd∶YAG板条激光器光束质量控制技术研究。结合透镜组光束整形系统和自适应光学系统,对10 kW级高功率准连续全固态MOPA Nd∶YAG板条激光器输出激光束的低阶像差和高阶像差进行分级校正;在板条激光器输出功率为10.6 kW时,经光束质量控制系统校正后,光束质量因子β由14.2提高到4.3,光束质量得到明显改善;实验结果表明,低阶像差与高阶像差分级校正是实现高功率高光束质量全固态激光输出的可行技术途径。