一．高功率涡旋激光器的重要性与挑战

在现代光学领域，涡旋光束因其独特的相位和强度分布特性，在光通信、光学微操纵、高分辨率成像等众多领域展现出了巨大的应用潜力。而高功率涡旋激光器作为产生涡旋光束的关键设备，其发展备受关注。然而，目前高功率涡旋激光器面临一个关键问题，那就是激光介质热效应所引起的谐振腔模场结构变化。

当高功率激光在介质中传播时，激光介质吸收光能并转化为热能，从而产生热效应。这种热效应会改变谐振腔的光学环境，进而影响模场结构。这不仅可能降低激光器输出光束的质量，还会对其在实际应用中的性能产生负面影响，是高功率涡旋激光器发展道路上必须要克服的障碍。

二．热效应的研究方法与模型

1.计算模型的建立

为了深入研究热效应，我们建立了环形光泵浦薄片激光晶体的温度场及热形变计算模型。在这个模型中，考虑了环形光泵浦的特殊模式，它使得激光晶体的能量吸收在空间上呈现出特定的分布。这种分布与传统的泵浦方式不同，对温度场和热形变有着独特的影响。

同时，我们将热效应像差作为谐振腔衍射积分方程的微扰。这是一种创新性的处理方式，通过这种微扰分析，可以更精确地研究热效应如何改变谐振腔中的光传播特性。因为在谐振腔中，衍射现象和光的干涉对模场结构起着关键作用，而热效应引起的像差作为微扰，能够帮助我们量化其对模场的影响程度。

3.研究对象的选择

在研究中，我们重点关注了 Nd:YAG、Nd:YLF 和 Nd:YVO4 薄片涡旋激光器。这三种激光器在实际应用中较为常见且具有代表性。Nd:YAG 激光器具有高增益、高效率和良好的热导率等优点；Nd:YLF 激光器则在某些特定波长下有独特的性能；Nd:YVO4 激光器以其高吸收系数和良好的激光性能而闻名。对它们的研究可以帮助我们全面了解不同激光晶体材料在高功率涡旋激光工作条件下热效应的共性和特性。

三．热效应对模场结构的影响规律

1.泵浦功率的影响

泵浦功率是影响热效应的重要因素之一。随着泵浦功率的增大，我们发现高阶径向模式占比明显增大，模场结构变得更加复杂。这是因为更高的泵浦功率意味着更多的能量被激光介质吸收，产生的热量更多，热效应更加显著。在不同的激光器中，这种模谱展宽的情况有所不同。例如，Nd:YVO4 激光器在泵浦功率升高时模谱展宽最大，而 Nd:YAG 激光器的模谱展宽最小。这主要是由于不同晶体材料的热学和光学性质差异导致的，Nd:YVO4 的热学特性使得其对热效应更为敏感。

2.晶体吸收系数的影响

晶体吸收系数对模谱展宽有着直接的影响。吸收系数越大，激光介质吸收的能量就越多，产生的热量也就越多，从而导致模谱展宽越严重。这表明在设计高功率涡旋激光器时，需要谨慎选择激光晶体的吸收系数，以平衡能量吸收和热效应带来的负面影响。

3.晶体厚度的影响

激光晶体厚度也是一个关键因素。当晶体厚度减小时，模谱展宽呈增宽趋势。这是因为较薄的晶体在吸收相同能量时，热量分布的空间相对更小，热梯度更大，从而加剧了热效应。

四．应对热效应的策略与展望

为了应对热效应带来的挑战，在高功率薄片涡旋激光器的设计中，可以综合考虑优化盘厚度和吸收系数等参数。例如，通过选择合适的晶体厚度，既能保证足够的能量吸收，又能有效控制热效应。对于吸收系数，可以通过材料改性或采用特殊的镀膜等技术来调整。

展望未来，随着对热效应研究的深入以及新材料、新技术的不断涌现，我们有望进一步提高高功率涡旋激光器的性能，使其在更多领域发挥重要作用，推动相关产业的发展和技术的进步。同时，对热效应的研究也可能为其他类型的高功率激光器发展提供有益的参考。

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