基于ANSYS的双频激光器热效应仿真及实验研究

发布时间：2020-05-07 06:08

【摘要】：半导体二极管(LD)抽运的固体微片激光器因为其具有转化效率高、结构紧凑、信号输出稳定、价格相对低廉等优势,成为固体激光器研究领域的热门之一。在光通信领域,毫米波技术也在即将商用的5G网络中会有极大的应用前景和价值。使用光学方法产生毫米波信号,利用外差拍频技术获得优质的射频信号需要提供相干性良好的双频信号,相比于采用两个独立的单频激光器输出两束激光信号进行外差,使用双波长激光器是一种更好的选择,因为双频激光信号是来自同一个谐振腔,所以两束信号的相位一致性要优于两个独立振荡的单频激光源。但双频信号输出功率比值将直接影响到外差拍频效果,目前对于双频信号输出的功率均衡调谐研究报道很少,所以本文去研究双频微片激光器的输出信号功率调谐并获得最大功率乘积十分有意义。本文从这个角度出发,先研究双频微片激光器工作时晶体介质的相关热效应理论,通过仿真分析获得一些结论。为第四章的实验研究提供了理论参考。本文具体研究内容可以分为以下几个方面:(1)简要概述了固体激光器的一些背景知识,并对本文激光器选用晶体增益材料做了介绍,然后还对微片激光器近些年的研究报道做了归纳梳理。(2)阐述了激光产生的基本原理,并对光学谐振腔做了较为详细的介绍,包括光学谐振腔的分类、结构和起振条件。然后对本文所用的晶体材料属于四能级结构,进行了四能级速率方程的推导,给出了纵模输出条件描述表达式。(3)对微片激光器工作过程中温控模块进行建模,建立仿真分析理论模型。围绕建立的模型,借助有限元分析软件,探究工作时晶体内部中心点温度与抽运电流大小和温控温度之间的关系,从而发现抽运电流与温控温度之间存在一种线性关系,当提高抽运电流,温控温度降低指定值,可实现晶体内部温度的不振荡。(4)对微片激光器的均衡机制可调谐做了实验研究,讨论如何实现功率均衡温度的可调谐问题。根据第三章热分析研究得出的结论,通过研究发现,当双频激光器输出双频功率稳定之后,当抽运电流提高,可以通过调节指定的温控温度,实现双频信号的功率均衡,完成了双频功率均衡信号的可调谐。
【图文】：

微片激光器,典型结构

传统的闪光灯其使用寿命大概在 300-100于闪光灯，可达 16000 小时以上。LD 抽运源的输出也于制成全固态的固体激光器。使其维护要求变低，便于使其快速进入市场，走向应用化和市场化道路。目前，础研究、高精度检测监测、微量分析、光通信以及国防价值。固体激光器的范畴，是指激光器中的光学谐振腔长度在两个单频激光器分别输出单频激光信号相比，使用单一的选择，，双频激光器主要是指可以稳定输出两束频率信器，本文主要研究的正是微片激光器，双频输出机制在器这个概念最早来自国外，在 1989 年，来自美国著名的名科学家 J.J.Zayhowski 和 Mooradian 率先提出，当时他(Yb3+)掺入钇铝石榴石(YAG)基质作为激光器工作物质的 1300nm 的双频激光输出[7]。

几何结构图,几何结构图,晶体,介质

一般为过渡族金属离子或者正三价的稀土离子，基质晶体中形成掺杂型的激光晶体介质。基质晶体作为激光晶体材料的氟化物、钼酸盐、和硼酸盐等玻璃晶体。它主要要求必须拥够易制备出大尺寸的光学质量良好的晶体；基质的阳离子和需要相近，确保掺杂后晶体介质的光学性能不影响原来的晶质晶体的热导率、光谱吸收率和工作时发射波长等物理特性谱特性，而且基质晶体的热学特性也直接决定了着掺杂晶体在自身的激活离子相互影响决定了晶体介质的光谱吸收率和基质物质其阳离子和掺杂的激活离子的半径大小和价态绝对料种类繁多，目前可查的数量已达 300 多种。依据基质晶体列晶体、氟化物系列晶体、钼酸盐系列晶体、硼酸盐系列晶后根据掺杂的激活离子种类不同，例如三价铬离子（Cr3+）、三b4+）和三价的铥离子（Tm3+），还可以做进一步的细分。O4晶体介质特性介绍
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

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