OPSL 优势白皮书系列第 2 期：
不变光束特性

独立功率调节的优势

能够调节激光输出 或以低于最大功率的水平运行激光器，通常是一项重要功能。在许多情况下，使用“功率旋钮”对于优化工艺或实验至关重要，例如防止探测器饱和或样品受损。此外，在进行系统对准和测试时，通常更倾向于采用较低的功率——以最大限度地降低损坏风险并确保眼部安全。 此外，STED等超分辨率显微技术也需要精细的功率调节，以优化纳米级分辨率。因此，无论是从易用性还是设置简便性来看，能够平滑降低输出功率的选项都比依赖某种衰减器更为理想。

遗憾的是，在大多数激光器若将功率从制造商规定的最佳值降低，也会导致光束特性变差：尤其是光束发散角，以及光束直径、模式质量和光束指向性。其原因在于一种被称为“热透镜效应”的现象，这种现象激光器 体材料（如Nd:_YVO₄）激光器 十分常见。

热透镜效应的问题

当激光增益晶体或玻璃受到光泵浦时，部分泵浦功率不可避免地会转化为热量。此外，激光束 的自吸收激光束 晶体的活性体积激光束 。为了稳定性能并避免损坏，需要对增益晶体进行某种形式的冷却。 冷却方式包括被动散热器、水冷、热电（TE）冷却，甚至低温冷却。无论采用何种冷却方式，热量都是通过晶体的一个或多个表面散出的。在稳态运行下，这会在增益晶体中形成热梯度。

这种热梯度会产生两个后果。首先，折射率 随激光介质中的温度分布而折射率 。此外，晶体受热膨胀，导致其光学表面的曲率发生变化。 在端面泵浦圆柱形激光棒这一最简单的情况下，这些效应会形成一个球面透镜，其焦度与晶体长度和泵浦功率成正比。此外，透镜焦度还可能受到任何纵向梯度的影响，特别是当增益晶体仅从一端进行泵浦时。

要优化高品质高斯光束轮廓（_TEM00）的输出功率，需要对谐振腔进行精心设计，包括尽可能使激光模式与泵浦腔体在空间上实现最佳匹配。 运行过程中，光学表面的曲率或等效的折射率空间梯度发生任何变化，都会因“热透镜”效应导致模式质量或效率下降。当然，这种热透镜效应的程度取决于施加在激光介质上的泵浦功率。

在固态激光器，热透镜效应会改变输出光束的发散角和直径。激光器 高意^的AVIA™ 工业 激光器 高性能激光器 其配备了一项名为^{ThermaTrak™的}反馈功能，该功能可在调节功率时移动腔内电动透镜，从而解决这一问题。 相反，在性能激光器，热透镜无法被控制，其随泵浦功率变化而产生的波动会导致光束参数变化、效率降低以及可用功率范围受限。由于大多数商用激光器 可变补偿激光器 ，其输出光束参数仅在指定输出功率下得到保证。

OPSL – 薄增益芯片 – 无热透镜

In an OPSL, the gain medium is a very thin (< 10 μm) disk of semiconductor quantum wells overlaying dielectric layers that act as a rear surface total reflector. The rear surface in turn is bonded to an actively cooled heat sink, efficiently cooling the semiconductor structure. Although a radial thermal gradient still results from laser operation, the entire structure is so thin that thermal lensing is negligible; in fact the path length in the gain material is approximately 1000 times less than in a typical DPSS.

为了验证“热透镜效应可忽略不计”这一假设高意 进行了一系列测试，以监测OPSL增益芯片的光学特性。在测试中，高意 故意在芯片内制造了热梯度，并通过干涉测量法对其进行了测量。此外，该测试梯度被设计得远大于激光器在正常工作状态下可能产生的任何梯度，即使在OPSL满输出功率下也是如此。

图2展示了本次测试所用的实验装置。在此装置中，对OPSL激光腔进行了改装，安装了楔形分束器 OPSL芯片同时受到不同泵浦功率照射时，分束器 测试光束对其进行探测。 具体而言激光束 8激光束 高意 激光束 第一个分束器分束，其中一部分光强被反射至OPSL芯片，另一部分则被反射至超平面参考镜。第二个分束器将这些反射光束重新组合，形成一种称为干涉仪配置。随后，重组后的光束被扩散，并通过CCD相机进行观测。

如果OPSL芯片保持平整且没有热透镜效应，那么在相机上看到的图像在整个轮廓上将保持均匀。 反之，任何热透镜效应都会表现为明暗交替的干涉条纹，其间距可定量衡量透镜效应或其他光束畸变的程度。通过在该测试台架中用加热镜代替OPSL增益芯片进行仔细评估，结果表明其在980 nm测试波长下能够分辨小至λ/50的波长畸变。

在测试中，OPSL中的泵浦激光被聚焦成直径仅为420微米的光斑。该泵浦激光的功率在0至9瓦特之间变化。即使在这种极端热负荷下，总波前畸变也仅为约λ/40，几乎无法检测到。

实际激光性能数据

当然，在实际运行中，真正重要的是激光器的实际性能。要充分利用这种无热透镜效应，需要采用坚固的一体化腔体设计，其中所有其他光学元件 光机组件均不受泵浦功率变化的影响。 当发生热透镜效应时，输出光束最显著的变化体现在光束发散角和光束直径上。对于激光成像和钛sapphire 激光器泵浦等高要求应用而言，这些参数也最为关键。

高意 进行了一系列全面的实验，旨在直接观察这些参数随输出功率变化的情况。 具体而言，将一台Verdi 激光器的532 nm输出功率分步调节，调节范围横跨一个数量级，从几百毫瓦到8瓦。即使在如此巨大的输出功率变化范围内，光束直径和光束发散角均保持惊人的稳定，且始终远低于规格限值，如图3和图4中的典型数据集所示。