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碱蒸汽激光半导体泵浦源谱宽压窄的研究

作　者: 李元栋
导　师: 华卫红
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 碱金属蒸汽激光器大功率半导体激光器外腔法输出谱宽压窄
分类号: TN248.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 31次
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内容摘要

半导体泵浦碱金属蒸汽激光器（DPAL）融合了全固态和气体激光器的优点，近年来在高能激光领域获得了快速发展。实现DPAL关键在于半导体泵浦源和碱金属原子吸收谱宽的匹配。即使充入一个大气压的缓冲气体如氦气或乙烷，碱金属原子吸收谱宽也只有0.02～0.04nm，而市售大功率半导体激光器输出谱宽为2～4nm，必须压窄其输出谱宽。本文概述了课题研究背景和意义，综述了国内外压窄大功率半导体激光器输出谱宽的方法及最新进展，基于平面全息衍射光栅，压窄了单宽面源和线阵大功率半导体激光器输出谱宽，主要工作如下：基于外腔压窄基本原理，计算了三种外腔结构的单程理论线宽，分析了大功率半导体激光器外腔谱宽压窄的特殊性，推导了快慢轴发散角和笑脸效应展宽公式，对经典快慢轴发散角展宽公式不妥之处进行了修改，解决了相关文献对笑脸效应展宽公式不一致的问题。以20W单宽面源大功率半导体激光器为研究对象，建立Littrow外腔模型，得出了光栅刻线越密、微柱透镜焦距越小、光学系统准直越好，外腔输出谱宽越窄的结论。而外腔腔长影响可忽略。根据模型，优化各元件参数，采用Littman和Littrow结构分别获得11.5W、0.03nm和14.35W、0.2nm窄线宽输出。最后进行了不同光栅刻线、不同焦距球面镜及不同外腔结构实验，实验结果与理论计算符合。以80W、64发光元线阵半导体激光器为研究对象，计算了腔长、快慢轴发散角和笑脸效应所对应的光谱展宽值，发现笑脸效应和快慢轴发散角是线阵半导体激光器输出谱宽展宽的主因，而Littman结构会放大笑脸效应不适合线阵半导体激光器谱宽压窄。根据计算结果，设计了放大倍数为4的倒置球面镜望远镜系统，应用Littrow结构压窄线阵半导体激光器输出谱宽，受限于光栅耐辐照功率密度的影响，在自由运转功率37W条件下，获得31W，谱宽小于0.2nm的窄线宽输出。最后搭建Talbot外腔，改善了输出光谱特性，铷池相对吸收率提高42.9%。分析比较了单宽面源和线阵半导体激光器谱宽压窄的区别。单宽面源半导体激光器适合Littman结构及小焦距微柱透镜。线阵半导体激光器适合Littrow结构及大焦距微柱透镜。本文研究结论为：对采用面光栅外腔法的半导体激光器谱宽压窄系统，首先要选择发光元少、自由谱较窄、笑脸效应小的激光器；其次要选用密刻线光栅，设计好的光学准直系统，根据不同的激光器选购不同焦距的微柱透镜阵列；最后应该让光栅色散曲线中心波长对准半导体激光器增益曲线中心波长

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章引言  12-17
  1.1 课题研究背景和意义  12-13
  1.2 国内外研究进展  13-16
  1.3 论文结构安排  16-17
第二章基本原理和系统介绍  17-26
  2.1 外腔法基本原理  17-20
    2.1.1 Littrow 外腔结构  18
    2.1.2 Littman 外腔结构  18-19
    2.1.3 双光栅外腔结构  19-20
  2.2 大功率半导体激光器谱宽压窄的特殊性  20-22
  2.3 大功率半导体激光器输出谱宽压窄系统  22-25
    2.3.1 大功率半导体激光器  23-24
    2.3.2 光学准直系统  24
    2.3.3 光栅  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章单宽面源大功率半导体激光器谱宽压窄  26-43
  3.1 单宽面源大功率半导体外腔实验及结果分析  26-30
    3.1.1 实验过程调试  26-27
    3.1.2 外腔压窄实验  27-28
    3.1.3 铷池吸收实验  28-30
  3.2 影响外腔压窄效果因素及实验结果  30-40
    3.2.1 光源性质的影响  30
    3.2.2 光栅参数的影响  30-35
    3.2.3 外腔腔长的影响  35-37
    3.2.4 光学系统像差的影响  37-40
  3.3 不同外腔结构压窄效果实验  40-41
  3.4 本章小结  41-43
第四章笑脸效应对线宽压窄影响的实验研究和矫正  43-48
  4.1 笑脸效应的影响  43-44
  4.2 笑脸效应矫正基本理论  44-45
  4.3 笑脸效应矫正实验  45-47
  4.4 笑脸效应线阵半导体激光器外腔实验  47
  4.5 本章小结  47-48
第五章线阵大功率半导体激光器的谱宽压窄  48-57
  5.1 Littman 外腔实验  48-51
  5.2 Littrow 外腔实验  51-54
  5.3 Talbot 外腔相干法  54-56
  5.4 线阵与单宽面源半导体激光器的比较  56
  5.5 本章小结  56-57
第六章总结  57-59
致谢  59-60
参考文献  60-63
作者在学期间取得的学术成果  63

碱蒸汽激光半导体泵浦源谱宽压窄的研究

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