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879nm激光二极管端泵的高重频高亮度Nd：GdVO_4激光器研究

作　者: 李旭东
导　师: 陈德应
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 879nm激光二极管 连续生长的复合Nd:GdVO4晶棒 高重复频率 高亮度 热补偿
分类号: TN248.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


激光二极管（LD）泵浦的全固态激光器（DPSSL）具有结构紧凑、效率高、运转可靠和易于小型化等优点,高重复频率、高亮度的脉冲激光光源更成为在激光成像雷达、光电对抗和激光加工等领域迅速发展的关键技术之一。针对脉冲激光器中高重频、高亮度难以兼顾输出的难题及高重频、高亮度激光器发展缓慢的现状,本文致力于探索和挖掘新型Nd:GdVO4激光器在高重频和高亮度输出下的潜力,以期能为高重频、高亮度激光光源的发展及更广泛的应用做出点滴贡献。针对高功率端面泵浦情况下Nd:GdVO4晶体中能量传递上转换（ETU）效应影响愈发显著的事实,将ETU效应引入到速率方程中,研究了其对泵浦阈值的影响。从调Q速率方程出发,推导了调Q状态下的峰值功率、脉冲能量和脉冲宽度的表达式。本章的理论分析表明初始反转粒子数密度是影响脉冲激光性能的一个主要参量。在高性能脉冲激光器的设计中应尽可能提高泵浦速率以增大初始反转粒子数密度,同时选择合适的谐振腔结构以减小腔损耗。这为今后高重频、高亮度全固态激光器的设计提供了很好的理论依据。针对高功率端泵激光器严重的热效应对激光器性能的影响,建立并完善了一套完整的热管理技术来对端泵Nd:GdVO4激光器进行有效的热管理。首先从热产生机理上进行改善,采用879nm直接泵浦取代传统808nm间接泵浦,将热负载比从24.0%减小到17.3%;其次从散热角度进行优化,采用四种有效的晶棒散热措施,包括高热导率晶体的选用,连续生长型复合Nd:GdVO4晶棒的使用,对泵的泵浦方式和微通道结构散热器的使用;再次从热补偿角度进行考虑,采用凸-平非稳腔结构对残留在晶棒中的废热进行有效的热补偿。此套热管理技术及措施适用于所有DPSSL中激光介质热效应的缓解,尤其对于端泵的晶棒激光器更加有效,十分有利于在端泵结构中实现高泵浦功率的注入。针对高功率端泵时DPSSL的高输出功率和高光束质量往往不能兼得的弊端,提出了利用凸-平非稳腔来改善激光器的性能。理论分析表明:在热稳定条件下,凸-平腔相比平-平腔在较高泵浦功率下可更好的实现模式匹配,并对光束质量有明显地改善作用。利用修正后的热透镜焦距公式和基于ABCD矩阵传输理论确定的非稳腔关键腔参量的选取原则,设计了LD端泵Nd:GdVO4晶棒凸-平非稳腔激光器。实验结果有力地证明了凸-平非稳腔激光器可使高输出功率和高光束质量兼得,同时也大大改善了输出脉冲激光的性能。该凸-平非稳腔激光器设计方法的可行性及准确性使得其适用于任何端面泵浦的DPSSL。针对高功率端泵Nd:GdVO4晶棒调Q激光器中ETU效应较强的事实,理论分析并实验验证了由于ETU效应的存在,不但造成反转粒子数密度的减少,而且还带来额外的热负载,加剧激光晶体的热效应。首次测量了Nd:GdVO4晶体中的ETU光谱并进行了简要分析,结果表明ETU过程造成了中心波长位于540nm,600nm,659nm的荧光发射,其分别由4G7/2→4I9/2、4G7/2→4I11/2和4G7/2→4I13/2的跃迁产生,而中心波长位于381nm和428nm的紫外波段和蓝光波段的较弱的荧光发射则要归因于激发态吸收（ESA）过程,由2P3/2→4I9/2和2P3/2→4I11/2的自发辐射跃迁产生。提出了抑制ETU效应的措施,这对今后高功率端泵Nd:GdVO4晶棒调Q激光器的合理设计提供了指导意义。为了降低高泵浦功率下热效应对端泵Nd:GdVO4晶棒激光器输出性能的严重影响,首先揭示了直接泵浦方式的优越性并期望在高泵浦功率的DPSSL中得到广泛应用,然后进行了879nmLD单端泵浦Nd:GdVO4激光器的实验研究。通过比较不同泵浦波长下Nd:GdVO4晶棒的热透镜焦距值证明了879nm直接泵浦可少产生废热并进一步降低热效应影响的事实。对比了879nmLD端泵传统Nd:GdVO4晶棒和复合Nd:GdVO4晶棒激光器的输出特性,实验结果表明采用复合Nd:GdVO4晶棒更有利于研制高性能的连续和脉冲激光器。分析了腔长、泵浦光束腰半径、泵浦功率和输出激光的光束质量对脉冲宽度的影响,进一步进行了高功率879nmLD双端泵浦双复合GdVO4/Nd:GdVO4晶棒激光器的实验研究,获得了最高46.0W的1063nm连续激光输出,对吸收泵浦光的斜效率和光-光转换效率分别为71.1%和53.5%,Mx2和My2分别为1.09和1.04;在脉冲重复频率分别为10kHz、50kHz和100kHz时,获得了脉冲宽度分别为7.2ns, 11.3ns和16.2ns,峰值功率分别为304.1kW, 58.6kW和23.8kW的脉冲激光输出,重复频率100kHz下激光器的峰值亮度达到1.87×1012W/cm2sr。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-14
第1章 绪论  14-25
  1.1 研究背景和意义  14-15
  1.2 高重频固体激光器的发展  15-18
  1.3 适用于DPSSL的激光材料  18-21
  1.4 声光调Q技术  21-23
  1.5 本文的主要研究内容  23-25
第2章 速率方程的基本理论  25-33
  2.1 激光器连续运转时的理论分析  25-27
  2.2 激光器脉冲运转时的理论分析  27-32
    2.2.1 脉冲峰值功率的计算  29
    2.2.2 脉冲能量的计算  29-31
    2.2.3 脉冲宽度的计算  31-32
  2.3 本章小结  32-33
第3章 端泵Nd:GdVO_4 激光器热管理技术的研究  33-56
  3.1 DPSSL中热效应的简介  33-34
  3.2 DPSSL中影响热效应的因素  34-36
    3.2.1 激光工作物质的性质对固体激光器热效应的影响  34
    3.2.2 泵浦源对固体激光器热效应的影响  34-35
    3.2.3 泵浦方式对固体激光器热效应的影响  35
    3.2.4 激光工作物质的冷却方式对固体激光器热效应的影响  35-36
  3.3 热效应作用下晶棒中的温度及热应力分布  36-39
    3.3.1 晶棒中的温度场分布  36-38
    3.3.2 晶棒中的热应力分布  38-39
  3.4 缓解热效应的有效措施  39-55
    3.4.1 直接泵浦机制下少产生热  39-46
    3.4.2 四种措施下的有效散热  46-53
    3.4.3 非稳腔结构下的有效热补偿  53-55
  3.5 本章小结  55-56
第4章 非稳腔对改善激光器性能的研究  56-72
  4.1 关于模式匹配理论的基本介绍  56-60
    4.1.1 模式匹配  56-58
    4.1.2 平-平腔与凸-平腔的比较  58-60
  4.2 凸-平非稳腔关键参量的设计  60-64
    4.2.1 曲率半径的最佳选取  60-61
    4.2.2 腔参量的设计原则  61-64
  4.3 DPSSL中热透镜焦距的测量  64-66
    4.3.1 基于有源腔热稳定性理论测热透镜焦距的方法  64-65
    4.3.2 Nd:GdVO_4 晶棒热透镜焦距的实验测量  65-66
  4.4 凸-平非稳腔激光器的优化设计及性能改善  66-70
  4.5 本章小结  70-72
第5章 Nd:GdVO_4 晶体中能量传递上转换的研究  72-90
  5.1 Nd:GdVO_4 晶体中进行ETU研究的必要性  72-73
  5.2 ETU对Nd:GdVO_4 激光器中反转粒子数密度的影响  73-79
    5.2.1 理论模型  73-76
    5.2.2 模拟分析  76-79
  5.3 ETU对Nd:GdVO_4 晶棒热负载的影响  79-82
    5.3.1 理论分析  79-81
    5.3.2 实验验证  81-82
  5.4 Nd:GdVO_4 晶棒中能量传递上转换光谱的实验测量  82-86
    5.4.1 实验装置  83-84
    5.4.2 实验结果及分析  84-86
  5.5 抑制ETU效应的措施  86-88
  5.6 本章小结  88-90
第6章 879nm LD端泵Nd:GdVO_4 晶棒激光器的实验研究  90-107
  6.1 879nm LD直接泵浦Nd:GdVO_4 晶棒激光器的可行性  90-93
    6.1.1 Nd:GdVO_4 吸收谱的测量  90-91
    6.1.2 光纤耦合879nm激光器工作特性的分析  91-93
  6.2 879nm LD端泵传统Nd:GdVO_4 晶棒激光器的性能研究  93-99
    6.2.1 热透镜焦距的测量  93-94
    6.2.2 连续激光输出  94-96
    6.2.3 脉冲激光输出  96-99
  6.3 879nm LD端泵复合Nd:GdVO_4 晶棒激光器的性能研究  99-104
    6.3.1 连续生长型复合Nd:GdVO_4 晶棒的设计  99-101
    6.3.2 连续激光输出  101-103
    6.3.3 脉冲激光输出  103-104
  6.4 本章小结  104-107
第7章 高重频高亮度Nd:GdVO_4 激光器的实验研究  107-118
  7.1 利用偏振特性提高声光Q开关衍射效率的研究  107-108
  7.2 激光器脉冲宽度的研究  108-112
    7.2.1 腔长对脉冲宽度的影响  108-109
    7.2.2 泵浦光束腰半径对脉冲宽度的影响  109-110
    7.2.3 泵浦功率对脉冲宽度的影响  110-112
    7.2.4 输出激光光束质量对脉冲宽度的影响  112
  7.3 879nm双端泵浦声光调Q Nd:GdVO_4 激光器  112-116
    7.3.1 连续输出性能  112-115
    7.3.2 脉冲输出性能  115-116
  7.4 本章小结  116-118
结论  118-120
参考文献  120-131
攻读博士学位期间发表的学术论文  131-134
致谢  134-136
个人简历  136-137

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光器 > 固体激光器
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