未校准灵敏度

定义：由于未校准引起的激光器、光学谐振腔或者其它器件的灵敏度。

当激光器中的一个部件未对准的情况下，其性能通常就会被破坏的很严重。通常引起的效应包括输出功率的减小，光束质量变差，激光器噪声增大，以及输出光束位置和方向发生变化，从而影响其应用。

不仅接触光学元件会造成未对准的情况，另外对激光器外壳的压力或者热效应也会引起未对准。热效应主要来自于实验室中温度的变化或者激光器某些部分自身产生的热效应。在高功率激光器中，只需要一小部分的光通过高反射率的激光反射镜射到另一个反射镜上就足够了，这一过程产生的热会通过热膨胀而引起一些弯曲。它可以在几分钟的工作时间内破坏掉激光器的性能。

在固态体激光器中，未对准通常是指激光器谐振腔中光束位置的平移。光束位置可能受任一光学元件的位置影响，尤其是反射镜的倾斜。另外，泵浦光束位置的改变也会引起未对准的情况，因为这会引起热透镜的不对称。这种不对称性会引起腔内激光光束的倾斜。当增益很大的情况下，增益导引也会影响光束。

图1：改变热透镜聚焦功率（与泵浦功率成正比）后激光器谐振腔的稳定区域。实现代表不同位置处的光束半径，虚线代表将输出耦合器偏斜1mrad时激光器晶体上光束的水平偏移。未校准灵敏度往稳定边界的左边分开，在稳定区域I处数值很小。

最直接的减小未对准效应的方法是采用很精准的机械装置对准，激光器装置也非常稳定，包括稳定的基座等。但是，还需要知道激光器谐振腔的灵敏度与未对准之间的关系与谐振腔设计有多大的关系。尤其是，对于一个稳定的谐振腔来说，它与选取的稳定区域有关系，根据Magni命名法则，区域I比区域II要高一个数量级。未校准灵敏度在区域II的一个边界甚至是发散的。因此，激光器不建议工作在该点附近，但是由于激光器谐振腔设计的时候很少考虑这一问题所以经常会发生这种情况。最后，如果激光器工作在TEM₀₀模式，且并未严格设计，那么稍微的不对准就会激发高阶模式。除了设计谐振腔，仔细检查泵浦强度也是非常关键的。

具有很大基模面积的谐振腔尤其对未对准非常敏感。在这种情况下，采用非稳定谐振腔会更适合。

未对准也可以从动力学角度去看：谐振腔反射镜的机械振动转移到输出光束的波束指向涨落，谐振腔的设计业决定了该影响的大小。因此，优化设计使未对准灵敏度降低对波束指向稳定有好处。

在谐振腔设计方面需要权衡一些量，例如需要在大模式尺寸和低未对准灵敏度之间权衡，以及在区域I工作和其它性质之间权衡。因此，好的谐振腔设计涉及到非常复杂的各种要求，从而能够找到最优的谐振腔性质的组合。尽管这项工作非常复杂，但是非常值得花费精力，因为这会引起激光器性能很大的改变。谐振腔从类型II到类型I的改变会使对准更加简单，也可以得到更稳定更大的输出功率，即使在不改变增益介质模式尺寸的情况下。优化谐振腔的设计也可以缩短需要的预热时间。

参考文献

[1]J. A. Arnaud, “Degenerate optical cavities. II: Effect of misalignments”, Appl. Opt. 8 (9), 1909 (1969)

[2]V. Magni, “Multielement stable resonators containing a variable lens”, J. Opt. Soc. Am. A 4 (10), 1962 (1987)