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辐射板条固体激光器理论与实验初探

作　者: 成洪玲
导　师: 田兆硕
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 辐射板条相干合束脉冲氙灯固体激光器泵浦光分布
分类号: TN248.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高功率固体激光器以其高效率、小体积、高可靠性、易于维护和较好的输出光束质量等诸多优点已经广泛应用于工业加工、材料处理、军事等多方面领域。但是对于传统棒状激光介质,由于抽运时圆棒的汇聚作用,难以做到均匀抽运,而板条状激光介质可以有效地减少热致双折射和热畸变等热效应。因此,板条状固体激光器可以获得比棒状固体激光器更好的光束质量和更高的平均输出功率。采用多激光束并联合束,是获得高功率激光输出的另外一种重要方法。但是为了获得高质量的激光光束,需要各激光光束之间实现相干耦合。采用这种辐射状板条多通道并联输出激光的方案,可以利用板条面积大、热控容易的特点有效解决冷却问题,减少固体激光介质工作时的热效应。本课题主要讨论的是辐射板条状高功率固体激光器,其优点是有效减少激光工作介质的温度梯度,并且可以获得高能量、高功率、高光束质量的相干合束激光输出。主要研究的内容是激光相干合束的理论分析,并且模拟了辐射板条固体激光器漫反射腔里激光工作介质内的泵浦光分布及初步的实验研究,具体研究内容如下:(1)概述了板条固体激光器的发展,并介绍了激光相干合束的概念、研究现状及本文研究的目的。(2)对固体激光器的工作物质的性质进行了简单的介绍,并阐述了激光器速率方程和谐振腔的基本原理;设计并加工了钕玻璃辐射板条和激光器的谐振腔。(3)运用光束相干原理,理论分析了高斯光束的相干合束公式,并模拟了9束成圆环形的高斯光束在远场非相干合束和相干合束的光场分布,对模拟结果进行了比较;对相干合束的光束质量如何分析进行了叙述。(4)对光线追迹方法和蒙特卡洛法进行了简单的介绍,并使用计算机软件Tracepro对具有不同吸收系数的辐射板条内的泵浦光强分布进行了数值模拟;对模拟结果进行了比较分析发现,辐射板条激光器近场的输出光应为9束,周围的8个光强较强,而中间的1束光强较弱,并且随着吸收系数的增加介质内的泵浦光均匀性越来越差。(5)进行了初步的实验研究,实验中采用了四脉冲氙灯泵浦的辐射板条固体激光器结构,冷却方式为风冷。在近场得到了9束输出光,在远场得到了一束合束光。对实验结果进行了简单分析,验证了理论模拟的正确性,推测了得到相干合束的可能性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 板条状固体激光器的概述  10-11
  1.2 激光相干合成技术的介绍  11-14
    1.2.1 激光相干合成技术的研究意义  11-12
    1.2.2 激光相干合成技术的概念  12
    1.2.3 激光相干合成技术的研究现状  12-14
  1.3 本文研究的主要目的与内容  14-16
    1.3.1 本文研究的主要目的  14-15
    1.3.2 本文研究的主要内容  15-16
第2章辐射板条固体激光器的基本理论  16-28
  2.1 激光工作介质——钕玻璃  16-19
    2.1.1 钕玻璃的性质  16
    2.1.2 钕玻璃的激光性能  16-19
  2.2 钕玻璃激光器的速率方程  19-21
  2.3 固体激光器谐振腔的研究  21-26
    2.3.1 激光谐振腔的稳定性  22-24
    2.3.2 激光谐振腔的损耗  24-26
    2.3.3 无源激光谐振腔内的 Q 值  26
  2.4 本章小结  26-28
第3章激光相干合成与光束质量分析  28-37
  3.1 激光相干合成  28-30
    3.1.1 相干合成的基本原理  28-29
    3.1.2 高斯光束的相干合成  29-30
  3.2 激光光束质量分析  30-36
    3.2.1 激光束的评价标准  30-32
    3.2.2 光束衍射倍率因子 M~2  32-33
    3.2.3 光束传输因子的定义  33-34
    3.2.4 光束传输因子用于评价相干合成激光光束质量  34-36
  3.3 本章小结  36-37
第4章辐射板条固体激光器的泵浦光分布的理论分析与模拟  37-53
  4.1 固体激光器的泵浦腔  37-39
    4.1.1 泵浦腔的种类及特点  37-38
    4.1.2 泵浦腔的光能量聚光效率  38-39
  4.2 脉冲氙灯特性  39-40
    4.2.1 灯的设计与结构  39-40
    4.2.2 脉冲氙灯瞬态放电特性  40
  4.3 氙灯的辐射光谱分析  40-43
    4.3.1 氙灯的辐射光谱模型  41-43
    4.3.2 氙灯的输出功率计算  43
  4.4 工作物质内泵浦光分布的理论分析  43-45
  4.5 模拟结果  45-52
    4.5.1 氙灯模型的模拟结果  46
    4.5.2 钕玻璃辐射板条内泵浦光分布模拟  46-52
  4.6 本章小结  52-53
第5章辐射板条固体激光器的实验初探  53-59
  5.1 辐射板条固体激光器的设计  53
  5.2 实验装置  53-54
  5.3 实验结果  54-56
  5.4 实验结果分析  56
  5.5 实验改进  56-58
  5.6 本章小结  58-59
结论  59-61
参考文献  61-66
读硕士学位期间所发表的学术论文  66-68
致谢  68

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