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固体激光器中热效应等效厚透镜及其对光场的影响研究

作　者: 白鸽
导　师: 过振
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 激光二极管泵浦固体激光器热效应等效热透镜
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 68次
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内容摘要

固体激光器热效应的控制已经成为激光器研究重点之一。激光晶体的热效应由晶体的热耗、晶体自身的性质以及晶体散热方式共同决定。泵浦源的空间分布和晶体对泵浦光的吸收性质决定了晶体稳定工作时产生的热效应,进而影响晶体等效热透镜,泵浦光在晶体中的分布和振荡光在谐振腔中的分布。人们往往采用等效透镜的方法研究热效应,该方法简便,直观性强,易采用解析方式进行研究,但在热温度空间分布较为复杂的晶体中很难用单一透镜来描述热透镜的状况,采用单一等效透镜法研究的结果与实际相差太远。针对上述情况,本文提出了小步长分段法进行热效应研究,为此研究了大功率泵浦激光器时激光晶体的温度分布,并通过热弹性理论分步计算了晶体的热透镜效应,通过研究讨论基模高斯光束的q参数在晶体热透镜效应作用下的变化规律分析晶体热效应对泵浦光的影响,应用自洽场理论分析晶体热效应对谐振腔内振荡光光束半径分布及输出光束腰半径的影响。本文采用了仿真法进行研究。结果表明,在大功率泵浦半导体激光器时,泵浦光功率越大,泵浦光光束半径越小,晶体掺杂浓度越大,晶体的热效应越明显,工作时的热透镜焦距越小,等效光组的主点位置越靠近泵浦端面,对泵浦光在晶体内传输和振荡光在谐振腔内传输的汇聚作用越大。文章在分析晶体热效应对谐振腔内振荡光影响时,得出分段计算晶体热效应时,不断减小计算步长,输出光的束腰半径将会趋向于一恒定值,这一点在理论上是正确的,可以为后续的实验及研究工作提供一定的参考价值。此外,本文提出了三段晶体结构模型,每段晶体的掺杂浓度依次升高,既能保证晶体对泵浦光功率的吸收,也可有效地降低晶体的热效应,可用于大功率泵浦DPL激光器系统。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-15
  1.1 激光二极管泵浦固体激光器的发展  9-11
  1.2 晶体热效应及研究现状  11-13
    1.2.1 晶体热效应机理  11-12
    1.2.2 晶体热效应研究现状  12-13
  1.3 本文研究重点和主要内容  13-15
第二章 LD 端面泵浦ND:YAG 激光器的介质热效应理论.  15-31
  2.1 激光介质ND:YAG 晶体性质  15-18
    2.1.1 晶体掺杂浓度与吸收系数的关系  16-17
    2.1.2 Nd：YAG 的热传导系数与温度之间的关系  17-18
  2.2 晶体内的温度分布  18-24
    2.2.1 激光介质内的热功率密度  19
    2.2.2 热传导方程的建立  19-20
    2.2.3 热功率密度呈高斯型分布  20-21
    2.2.4 热功率密度呈均匀型分布  21
    2.2.5 晶体温度分布的影响因素分析  21-24
  2.3 DPL 介质的热效应  24-30
    2.3.1 温度梯度产生的热透镜效应  25-26
    2.3.2 热应力双折射产生的热透镜效应  26-28
    2.3.3 端面形变产生的热透镜效应  28-29
    2.3.4 晶体的综合热透镜效应  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章端面泵浦ND:YAG 激光器中晶体的热透镜计算  31-47
  3.1 端面泵浦激光器中晶体的热弹性方程  31-32
  3.2 端面泵浦固体激光器中晶体的形变  32-35
    3.2.1 激光晶体中的热应力  32-34
    3.2.2 激光晶体中的热形变  34-35
  3.3 热应力的求解.  35-37
  3.4 端面泵浦ND:YAG 激光棒的有效热焦距  37-39
  3.5 端面泵浦ND:YAG 的热透镜焦距计算与模拟  39-45
    3.5.1 分段计算晶体热透镜焦距  39-40
    3.5.2 晶体透镜组的焦距及主点计算  40-42
    3.5.3 激光晶体透镜参数的影响因素分析  42-45
  3.6 本章小结  45-47
第四章晶体热透镜效应对内泵浦光的影响  47-65
  4.1 基模高斯光束理论  47-50
    4.1.1 基模高斯光束及其在自由空间的传播规律  47-49
    4.1.2 基模高斯光束的特征参数  49-50
  4.2 通过Q 参数研究基模高斯光束的变换规律  50-54
    4.2.1 重要光学元件和介质的光线矩阵  51-52
    4.2.2 通过光学系统的基模高斯光束q 参数的变化规律  52-54
  4.3 晶体热透镜对泵浦光传播的影响  54-60
    4.3.1 光线传输模型建立及参数计算  54-56
    4.3.2 激光晶体泵浦参数对泵浦光的影响  56-60
  4.4 泵浦光在晶体组中的传输  60-63
  4.5 本章小结  63-65
第五章晶体热效应对谐振腔内振荡光的影响  65-79
  5.1 光学谐振腔的结构及稳定性条件  65-67
    5.1.1 谐振腔的结构和稳定性条件  65-66
    5.1.2 广义谐振腔的稳定性条件  66-67
  5.2 建立模型并计算稳定条件  67-72
    5.2.1 类透镜介质工作时谐振腔的稳定条件  68-69
    5.2.2 分步研究晶体热效应  69-72
    5.2.3 晶体分段步长对振荡光半径的影响  72
  5.3 振荡光束腰半径的影响因素分析  72-78
    5.3.1 计算所取晶体步长对振荡光束腰半径的影响  73-74
    5.3.2 泵浦光参数对振荡光光斑半径及束腰半径的影响  74-76
    5.3.3 晶体掺杂浓度对振荡光光斑半径及束腰半径的影响  76-78
  5.4 本章小结  78-79
第六章总结与展望  79-81
致谢  81-83
参考文献  83-87

固体激光器中热效应等效厚透镜及其对光场的影响研究

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