碟片激光器中ASE效应的研究
发布时间：2020-08-05 07:39
【摘要】：碟片激光器是一种基于薄片状激光晶体的全固态激光器,可实现高转换效率、高光束质量、高峰值功率和大脉冲能量的激光运转。碟片激光器可以通过增加泵浦光斑尺寸的方法来提高输出功率。在大能量输出时,大面积的泵浦光斑会引起严重的ASE(amplified spontaneous emission)效应,导致激光的转换效率下降。为了有效的降低ASE效应效应,如何评估ASE效应成为了目前人们研究的热点问题之一。另一方面,ASE效应的另一个研究热点是其造成的生热特性。传输到碟片边缘的ASE光子会导致碟片激光器温度的升高以及转换效率的下降,甚至会对碟片晶体产生损坏。为了解决上述问题,本文进行了如下的研究工作。首先,本文运用P.Peterson提出的半解析方法,分析了碟片激光器中ASE光谱与ASE强度之间的关系,并从理论上提出了一种利用ASE光谱线宽来拟合有效上能级寿命的迭代算法。与此同时,为了修正重吸收效应对ASE光谱的影响,本文对ASE的重吸收效应进行了理论分析,得到了修正重吸收效应的方法,并通过实验进行了验证。随后,我们利用修正后的ASE光谱线宽得到了对应的有效上能级寿命。交叉检验的实验结果表明,修正后的光谱线宽可以准确的评估ASE效应的强度。为了更加准确的使用ASE光谱评估碟片激光器中的ASE效应,我们还对碟片激光器中ASE光子在空气中的角分布进行了分析。通过实验可以证明,对于边缘毛化的碟片晶体,其入射到空气中的ASE光子强度的角分布为均匀分布。由于目前商用的碟片晶体边缘均进行毛化处理,此研究结果表明,利用ASE光谱特性评估ASE强度时,可以不考虑测量角度对光谱的测量结果带来的影响。另一方面,通过对ASE光子空间分布的研究可以知道,大多数ASE光子会聚集到碟片的边缘。本文通过理论分析、有限元分析仿真等方法对传输到碟片边缘的ASE光子在碟片晶体中的生热过程进行了分析。随后,为了消除ASE效应引起的碟片边缘生热问题,我们对碟片晶体的侧面进行了倒角处理。实验结果表明,与倒角前相比,边缘倒角后的碟片晶体侧面温度降低了50%,光光转换效率提高了15%。由此可见,边缘倒角的方法可以有效的降低碟片边缘的ASE效应,从而达到降低碟片温度,提高光光转换效率的目的。最后,工程方面,我们利用倒角后的低ASE效应的碟片晶体,完成了脉冲碟片激光器的试验样机以及工程样机的研发工作。利用自主研发的泵浦模块、碟片晶体以及声光调Q模块实现了平均功率大于300W,峰值功率100kW,单脉冲能量~35mJ的激光输出。综上所述,本文首先对碟片激光器内的ASE光谱特性进行了研究,分析了ASE强度、重吸收效应对ASE光谱特性的影响,以及ASE光子的空间分布特性,提出并验证了一种利用ASE光谱定量评估ASE效应的方法。随后,我们研究了碟片激光器中ASE效应导致的碟片边缘生热的产热机制,并利用边缘倒角的方法有效降低了边缘的ASE效应,最后利用边缘倒角后的碟片晶体实现了高功率碟片激光器工程样机的制备。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248
【图文】：
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文1. 绪论1.1.碟片激光器及其 ASE 效应的研究意义碟片激光器是一种具有高光束质量、高峰值功率的全固态激光器[1-5]。自 1994 年A. Giesen 等人第一次提出碟片激光器的概念以来[1]，碟片激光器得到了迅猛的发展，被广泛的应用在激光加工、强场物理以及 OPCPA 等领域[6-12]。从几何结构来看，典型的碟片晶体厚度为 100μm～350μm[13,14]，碟片直径为 7～20mm[13]。与光纤激光器类似，碟片晶体也具有很高的表面积体积比，这种几何结构使得碟片激光器具有极佳的散热性质[15]。因此激光器工作时，碟片晶体的热效应更低，更容易实现高功率运转。
图 1-2 碟片激光器与光纤激光器的对比片激光器的功率标定性质，使得人们需要通过较大的泵浦光斑。然而实验表明[43-48]，当泵浦光斑尺寸特别大的时候，碟片激（amplified spontaneous emission，ASE）效应会使得激光的转，阻碍碟片放大器获得更高的功率[42,43,48,49]。图 1-3 为碟片激示意图。
图 1-2 碟片激光器与光纤激光器的对比由于碟片激光器的功率标定性质，使得人们需要通过较大的泵浦光斑面积来实现高功率运行。然而实验表明[43-48]，当泵浦光斑尺寸特别大的时候，碟片激光器中放大的自发辐射（amplified spontaneous emission，ASE）效应会使得激光的转换效率小于功率标定值，阻碍碟片放大器获得更高的功率[42,43,48,49]。图 1-3 为碟片激光器中 AS效应的原理示意图。图 1-3 碟片激光器中 ASE 产生的原理示意图如图 1-3 所示，当碟片晶体内的自发辐射光子在增益区内传输时，会与处于激发
本文编号：2781234
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248
【图文】：
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文1. 绪论1.1.碟片激光器及其 ASE 效应的研究意义碟片激光器是一种具有高光束质量、高峰值功率的全固态激光器[1-5]。自 1994 年A. Giesen 等人第一次提出碟片激光器的概念以来[1]，碟片激光器得到了迅猛的发展，被广泛的应用在激光加工、强场物理以及 OPCPA 等领域[6-12]。从几何结构来看，典型的碟片晶体厚度为 100μm～350μm[13,14]，碟片直径为 7～20mm[13]。与光纤激光器类似，碟片晶体也具有很高的表面积体积比，这种几何结构使得碟片激光器具有极佳的散热性质[15]。因此激光器工作时，碟片晶体的热效应更低，更容易实现高功率运转。
图 1-2 碟片激光器与光纤激光器的对比片激光器的功率标定性质，使得人们需要通过较大的泵浦光斑。然而实验表明[43-48]，当泵浦光斑尺寸特别大的时候，碟片激（amplified spontaneous emission，ASE）效应会使得激光的转，阻碍碟片放大器获得更高的功率[42,43,48,49]。图 1-3 为碟片激示意图。
图 1-2 碟片激光器与光纤激光器的对比由于碟片激光器的功率标定性质，使得人们需要通过较大的泵浦光斑面积来实现高功率运行。然而实验表明[43-48]，当泵浦光斑尺寸特别大的时候，碟片激光器中放大的自发辐射（amplified spontaneous emission，ASE）效应会使得激光的转换效率小于功率标定值，阻碍碟片放大器获得更高的功率[42,43,48,49]。图 1-3 为碟片激光器中 AS效应的原理示意图。图 1-3 碟片激光器中 ASE 产生的原理示意图如图 1-3 所示，当碟片晶体内的自发辐射光子在增益区内传输时，会与处于激发
【参考文献】
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本文编号：2781234
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