半导体泵浦三程折叠腔板条激光器光束质量的优化研究

发布时间：2020-07-14 03:41

【摘要】：半导体泵浦固体激光器(DPSSL)以其结构紧凑、电光效率高等特点,在激光领域占据了不可或缺的地位。本论文主要结合DPSSL的研究现状,对其国内外的发展情况进行了分析和比较,横向比较了几种常用的激光器,说明了DPSSL在高脉冲领域的重要性。为了深化DPSSL在高脉冲领域的应用,本论文采用板条晶体作为增益介质,在稳腔条件下进行腔型设计,以降低两个方向的差异性,为调Q、倍频提供便利;以压缩系统机械尺寸为目的,采用了折叠腔的概念,旨在提升晶体增益性能的同时,使其能更为广泛的应用在更多实际场景中。本论文从激光的三要素出发,分别从系统对应的泵浦源、增益物质、谐振腔进行了原理分析、器件选型与方案设计。通过Zemax对泵浦光束整形系统进行了仿真设计,方案设计为LD端面泵浦三程折叠腔,并设置单程平凹腔进行性能对比。主要的研究内容与成果如下:(1)以优化光束质量为目的,结合热效应等效腔模型,将板条晶体等效为薄透镜,利用MATLAB仿真模拟,对三程折叠腔进行优化设计,结合控制变量的思想,分别从系统稳定性、基模尺寸等方面对腔型进行优化,得出优化后的腔型方案。(2)通过实验对三程折叠腔与单程平凹腔进行了对比分析,利用CCD测量其输出光斑,分别计算π方向和σ方向的光束质量M~2因子。得到在110A,89.2W输入功率的条件下,单程平凹腔π方向和σ方向的光束质量因子M~2分别为143.32和1.99;三程折叠腔π方向和σ方向的光束质量因子M~2分别为2.76和1.54。(3)与上一代三程折叠腔进行了性能对比。本次设计优化了系统腔型结构,折叠腔输出功率虽略有下降,但两个方向的光束质量都得到了显著的改善。同时通过实验结果反推出板条晶体的热焦距,减少系统变量,为将来实现更优的腔型方式的奠定了基础。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248
【图文】：

示意图,侧面泵浦,示意图,泵浦

华中科技大学硕士学位论文成反比，因而四能级系统的泵浦阈值功率与荧光谱线宽度成正比[47]。.1.2 泵浦方式由第一章内容可知，对于 DPSSL 系统，根据泵浦位置的不同，主要有侧面泵浦面泵浦、边缘泵浦和角泵浦四种泵浦方式。现阶段最为主流的泵浦方式是侧面泵端面泵浦。（a）侧面泵浦常见的二极管侧面泵浦板条激光器的示意简图如图 2-1 所示，由于二极管两个方发散角均较大，典型值一般为快轴 30~40°，慢轴 8~15°（半高全宽）。

示意图,端面泵浦,示意图,极管

华中科技大学硕士学位论文光强表达式可表示为：)]()()(,,)exp[(22220zyzxIxyzIxy （2其中，xpxypyyzyz0202 ( ) / , () / ，λp为二极管发射的波长，ω0x和泵浦源输出端口的光斑半径。

泵浦源,相关参数,波长,参数

用于中低功率输出条件要求。但对于在 π 方向（快轴方向）的泵浦强度优于慢轴方向）这个要求上，可以看到快轴发散角为 35°，如果直接将泵浦光泵浦质表面，其严重的发散效应使得 π 方向上的泵浦光打在晶体表面上的光束质非常不利于晶体的吸收，极大的降低了系统的效率，同时和设计初衷 π 方向度优于 σ 方向不相符，因而和西安炬光公司沟通后发现针对快轴发散角较大他们可以提供在半导体激光器表面安装柱面微透镜的方式，对快轴方向的发压缩，可以将其发散角优化至 0.5°因而需要对泵浦源进行光束整形设计。.3 泵浦耦合仿真分析基于泵浦源初步选型存在的问题，需要对快轴方向的泵浦光进行光束整形。ax 软件，我们对初步选定的泵浦源进行了仿真。如图 3-2 所示，进一步简化模型，主要考虑 808nm 波长范围的光束整形情况长设置为 808nm。

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