Tm:YAG全固态激光器的模拟及实验研究
本文选题：Tm:YAG激光器 + 速率方程 ； 参考：《湖北工业大学》2015年硕士论文
【摘要】：2μm波长的铥激光器在激光雷达、激光测距、激光医疗等领域具有良好应用前景。铥离子激光上能级具有很长的能级寿命,与掺铥光纤激光器相比,调Q全固态Tm:YAG激光器更容易得到很强的脉冲能量,对铥激光在微创手术中向硬组织消融拓展及激光探测应用都具有重要意义。本文围绕高效率、高功率Tm:YAG激光器开展研究,首先根据Tm:YAG晶体的能级结构分析了Tm:YAG激光器准三能级运转特性,建立激光器的速率方程,通过模拟激光器运转过程中各能级粒子和激光器谐振腔内光子数的实时变化分析了输入及冷却条件对激光输出的影响规律,结果表明冷却温度对激光输出产生巨大影响,适当降低冷却液温度可显著提高激光输出效率;通过调Q速率方程模拟了激光器的脉冲特性,得到调Q固态Tm:YAG激光器强激光脉冲。鉴于温度对激光器输出的影响,为了在适当降低冷却温度时防止Tm:YAG晶体两端凝结水汽而提出晶体两端套加热套筒的创新性设计;在此种新型条件下建立三端侧面泵浦固体Tm:YAG激光器的温度、应力数学模型,采用有限差分法对Tm:YAG的温度场和应力分布进行了数学模拟,分析了泵浦功率、泵浦耦合结构等对温度、应力及热透镜效应的影响规律,分析了减少热效应的方法,为进一步实验提供理论基础。在理论分析的基础上设计激光实验系统进行连续激光输出实验,研究了不同泵浦功率、冷却水温度及不同输出镜透过率条件下,Tm:YAG激光器的输出规律,分析了各参数对激光输出的影响;在泵浦光功率为765W条件下,实现连续激光输出功率178W,光光转换效率超过22%,为进一步脉冲激光实现奠定了基础。
[Abstract]:Thulium laser with 2 渭 m wavelength has a good application prospect in laser radar, laser ranging, laser medical treatment and so on. The upper energy level of thulium ion laser has a long energy level lifetime. Compared with thulium doped fiber laser, Q-switched all-solid-state TM: YAG laser is easier to obtain strong pulse energy. It is of great significance for thulium laser to expand into hard tissue ablation and laser detection in minimally invasive surgery. In this paper, a high efficiency and high power TM: YAG laser is studied. Firstly, according to the energy level structure of the TM: YAG crystal, the quasi-three-level operation characteristics of the TM: YAG laser are analyzed, and the rate equation of the laser is established. The influence of input and cooling conditions on laser output is analyzed by simulating the real time variation of laser particle and photon number in laser resonator during laser operation. The results show that cooling temperature has a great influence on laser output. The laser output efficiency can be improved by decreasing the coolant temperature properly, and the strong laser pulse of Q-switched solid-state TM: YAG laser is obtained by simulating the pulse characteristics of the laser by Q-switched rate equation. In view of the effect of temperature on the output of laser, in order to prevent the condensation of water vapor at both ends of TM: YAG crystal, an innovative design of heating sleeve with two ends of crystal is proposed. Under this new condition, a mathematical model of temperature and stress of three-terminal side-pumped solid-state TM: YAG laser is established. The temperature field and stress distribution of TM: YAG laser are simulated by finite difference method, and the pump power is analyzed. The effects of pump coupling structure on temperature, stress and thermal lens effect are analyzed. The method of reducing thermal effect is analyzed, which provides a theoretical basis for further experiments. On the basis of theoretical analysis, a laser experimental system was designed to carry out continuous laser output experiments. The output law of Tm: YAG laser with different pump power, cooling water temperature and different transmittance of output mirror was studied. The influence of various parameters on laser output is analyzed. The continuous laser output power is 178W under the pump power of 765W, and the optical conversion efficiency is more than 22W, which lays a foundation for the further realization of pulsed laser.
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248
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，本文编号：2037647
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