固体激光频率转换技术研究

发布时间：2020-07-23 14:21

【摘要】：激光由于其高单色性,强相干性以及优良的方向性,在工业、军事、能源、医疗、通讯等各大领域具有越来越重要的应用价值,被称为20世纪最伟大的科研成果之一。但受限于激光增益介质的能级结构,最初的激光输出波长过于单一,无法满足工程以及科研方面的需求。激光频率转换技术的出现,成功的突破了这一限制,大大拓宽了激光输出波长窗口,成为了获得新激光光源的有效手段,开启了激光技术的新时代。在实际应用过程中,激光频率转换仍存在光束质量难以保证、光学元件损伤等问题,本论文针对固体激光的倍频、三倍频过程展开研究,具体研究内容如下:(1)针对迈克尔逊干涉装置监测水溶法KDP晶体生长对激光光源高光束质量的需求,研制了一台532nm连续绿光固体激光器,代替现有的氦氖光源,以解决氦氖光源功率低、光束质量差,水吸收相对较大的问题。该激光器输出功率为300mW,光束质量因子Mx2和均为1.03,2小时内输出功率稳定性为1%。(2)针对超声成像对激光光源多波长、高峰值以及易于光纤耦合的需求,利用双谐振腔结构研制了一台1064 nm与532 nm输出可切换的固体激光器。利用偏振旋转以及偏振分光特性,通过对旋光晶体进出的控制,使激光器在不同的谐振腔中工作,从而输出不同波长。该激光器的激光输出重频为10kHz,在脉冲周期达到了Nd:YV04上能级寿命极限的情况下,1064nm输出功率可达3.6W,脉冲宽度为10ns,光束质量因子Mx2和My2分别为1.19和1.18;532nm输出功率为2.5W,脉冲宽度为8.7 ns,光束质量因子Mx2和My2My2分别为1.2和1.18。(3)针对3C打标对激光光源短波长、高重频以及光束质量的需求,研制了一台紫外激光器。为降低热透镜的影响,该激光器采用凸面镜作为前腔镜;为解决紫外膜层损伤问题,采用布儒斯特角切割的LBO晶体作为三倍频晶体,该晶体可实现三波分离,避免了在谐振腔内插入分光镜。该激光器重复频率可调,在重复频率为40kHz时,可实现3.65W的紫外激光输出,脉冲宽度为17.5ns,光束质量因子Mx2和My2分别为1.13和1.32。(4)为消除惯性约束核聚变驱动器终端光学组件中熔石英透镜的紫外损伤问题,理论与实验研究了利用拼接晶体实现汇聚光束三倍频的构型方案。分析了汇聚光束的偏振、非线性系数以及相位匹配情况。模拟了汇聚光束三倍频转换效率,设计了 3块拼接LBO晶体,并利用口径为18mm的光斑进行F数为25的汇聚三倍频实验,获得了 110 mJ的汇聚紫外光,三倍频转换效率为20%,验证了该方案的可行性。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248.1
【图文】：

倍频转换,相位匹配,效果,技术

逡逑激光频率保持单向转换。如图１－２所示。逡逑Ｉ逦⑴逡逑：逦（２）逦：逡逑°邋Ｉ邋２１，逦５／，逦４１逦５Ｉ：逦６１，逡逑图１－２倍频转换效果与晶体厚度的关系，（１）完全相位匹配，逡逑（２）准相位匹配，（３）相位失配逡逑相比ＢＰＭ技术，ＱＰＭ技术确实具有不少优势，比如使用波长范围宽，避免空逡逑间走离，突破了相位匹配对波矢传播方向以及偏振的严格限制等。但是利用ＱＰＭ逡逑技术对晶体进行周期性极化操作后，谐波转换晶体的非线性系数会受到影响。相逡逑同晶体长度下，ＱＰＭ的转换效率仅能达到理想ＢＭＰ技术的（２／７ｔ）Ｍ＃２２］。所以通逡逑常情况下

过程图,倍频效应,石英晶片,过程

腔设计,热透镜焦距,泵浦功率,激光晶体

图２－１激光晶体的热透镜焦距与泵浦功率的关系曲线逡逑为了提高光束质量，抑制激光多横模起振，我们采用平平腔设计。通过高斯逡逑光束传输ＡＢＣＤ矩阵计算谐振腔内基频光分布情况，计算结果如图２－２所示。当逡逑泵浦功率在５Ｗ－１５Ｗ之间时，谐振腔处于稳区。此时基模光斑略小于泵浦光斑（半逡逑径４０（Ｈｉｍ），模式匹配情况较好。逡逑１０００邋逦逡逑９００邋－逡逑Ｅ逡逑ｆ逦＇逦Ｉ逡逑３逦８００邋－逦＾逡逑ｓ逦．逦｜逡逑０逦７００邋？逦ｊ逡逑（0逦ｉ逡逑＾逦＇逦＼逦Ｉ逡逑６００邋－逦＼逦／逡逑１逦？邋＼逦／逡逑ｉ邋．逦＼逦／逡逑Ｔ３逦、、逦／逡逑§邋４００邋－逦、、、、、？逡逑Ｌｉ－逦￣逦—逦■—逦逡逑３００邋逦ｉ逦？逦１逦＞逦１逦逦逦１逦？逦ｉ逦逡逑０逦５逦１０逦１５逦２０逡逑Ｐｕｍｐ邋ｐｏｗｅｒ／Ｗ逡逑图２－２增益晶体处基模光斑半径随泵浦功率的变化曲线逡逑２．３实验逡逑２．３．１实验装置逡逑激光器米用激光二极管（Ｌａｓｅｒ邋ｄｉｏｄｅ，邋ＬＤ）作为端录录浦源，通过芯径为４００ｕｍ逡逑１１逡逑

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