单端键合激光晶体的热效应仿真研究
发布时间：2020-08-27 07:11
【摘要】：半导体激光二极管(LD)泵浦的固体激光器自发明激光以来,在现代社会各个领域都有着扮演着不可或缺的角色,激光技术也随着研究工作的深入走上了高速发展的道路。固体激光器根据材料和性状不同可以分为多种激光器,其中片状及棒状的掺杂晶体作为增益介质的激光器,与传统激光器相比,具有体积小、光束质量高、单位体积功率大、光光转化率高等优点。在实际应用中,此类激光器在光纤通信、空间通讯、医疗器械以及军事等领域均发挥着重要作用。激光晶体内部的热效应是固体激光器能否得到高输出功率和良好的光束质量关键制约因素之一,而随着固体激光器泵浦功率的提高,晶体热效应带来的影响越发严重。键合晶体通过在掺杂晶体端面复合非掺杂晶体,能够有效降低激光晶体中心温度,改善晶体内部温度分布,减轻热效应对激光器带来的消极影响。本文基于热效应理论建立了 YVO4/Nd:YVO4和GdVO4/Nd:GdV04键合晶体在稳定工作时的仿真模型,通过数据和图表分析研究了外部条件以及键合晶体本身形状对热效应的影响,为设计热性能更好的掺钕固体激光器给出了实验依据和优化方向。本文主要通过以下几个方面进行说明:(1)简述了固体激光器的发展和其优点,介绍常见的激光晶体以及相应激光器的性能,给出了激光晶体热效应抑制的国内外研究现状,详细描述了几种掺钕介质的激光增益晶体能级原理和物理特性,对键合晶体的产生和其作用做了介绍。(2)阐述了激光产生的基本原理,对速率方程理论和线谱加宽效应进行了理论方面的推导和介绍。重点分析了晶体热效应产生的原因,并对如何降低晶体热效应给出了几方面的介绍。(3)基于晶体热效应理论和几何结构给出了键合晶体热稳态仿真模型,用有限元分析软件给出了键合晶体内部温度分布,并围绕键合晶体外部条件,包括泵浦功率、温控温度和接触面热传导系数研究与键合晶体中心温度的关系,并通过实验定性验证了仿真结果。(4)在理论和仿真模型的基础上,讨论了在给定条件下,键合晶体本身增益部分长度和晶体截面大小对热效应的影响,并通过温度-力学耦合得到了键合晶体形变和热应力分布以及与键合晶体长度、截面大小之间的关系。
【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】：2019
【分类号】：O786;TN248
【图文】：
代了蓝宝石中的三价铝离子。Ｃｒ３＋离子起到激活激光受激辐射过程，Ａｈ0３是精光晶体的基质逡逑材料。Ｃｒ＾的能级结构的三能级系统决定了激光器的光谱特性。掺氧化铬红宝石Ｃｒ＾ＡｈＯｓ中逡逑Ｃｒ３—能级结构图［９］如下图１．２所示。在室温条件下，0３＋：八１２０３晶体所构成的固体激光器能够逡逑输出主峰波长在６９４．邋３ｎｍ附近的红光。Ｃｒ＾ＡｋＣｂ可以容易获得大尺寸的晶体，工作时粒子逡逑的亚稳态周期长，输出荧光的功率密度比较大，尤其在单模输出时有较高的能量，并且红宝逡逑３逡逑
钇铝石榴晶体中部分Ｎｄ３＋取代Ｙ３＋离子成为激光激活粒子，掺钕钇铝石榴（Ｎｄ３＋Ｙ３Ａ１５０１２）逡逑的吸收带在紫外光、红外光和可见光中的部分区域较强。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体偏振光各向同性，晶逡逑体受激辐射能级结构属四能级系统，如图１．３所示为Ｎｄ３＋：ＹＡＧ的能级图。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ—般只逡逑作为１０６４ｎｍ的激光使用，因为Ｎｄ３＋：ＹＡＧ发射截面在１．０６ｐｍ处能够产生高功率的荧光输出，逡逑是１．３５ｐｍ处荧光谱功率的４倍。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体作为最早在固体激光器中使用的晶体之一，逡逑是最成熟、使用最广泛的激光晶体材料。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ在高能量Ｑ开关、倍频连续波、锁模、倒逡逑空腔等方面具有突出的性能表现［１（）］。同时，在光学特性上，Ｎ（Ｔ：ＹＡＧ晶体的出光阈值低，增逡逑益系数和斜效率较高，低波长损耗；在热力学和其他方面的性质上，它热传导性能良好，机逡逑械强度高，抗热冲击性能好。逡逑‘Ｉ邋能运／１０５0？－１逡逑１４邋一邋＇、逦—Ｘ逦＾逡逑、２邋—邋Ｋ逦Ｘ逡逑一１「＆逡逑９５０邋ｎｍ／逡逑７５０邋|!逦８１０邋ｎｍ逦１３ｌ９ｎｍ逡逑０邋ｊ逦邋／，ｙＪ邋Ｅｌ逦逦逡逑图１．３邋ＮｄｈＹＡＧ能级结构图逡逑（４）掺铒钇铝石榴石。使用ＥｒＹＡＧ晶体作为增益晶体的激光器有着与Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光逡逑器类似的结构。ＥｎＹＡＧ激光器的栗浦源是脉冲氙灯，聚光腔为镀银的楠圆柱型腔。ＥｎＹＡＧ逡逑激光器对湿度敏感
逡逑图１．２红宝石中铬离子的能级结构逡逑（２）掺钕钇铝石榴晶体。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ是目前激光器领域应用最为广泛的固体激光器增益逡逑晶体。钇铝石榴晶体中部分Ｎｄ３＋取代Ｙ３＋离子成为激光激活粒子，掺钕钇铝石榴（Ｎｄ３＋Ｙ３Ａ１５０１２）逡逑的吸收带在紫外光、红外光和可见光中的部分区域较强。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体偏振光各向同性，晶逡逑体受激辐射能级结构属四能级系统，如图１．３所示为Ｎｄ３＋：ＹＡＧ的能级图。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ—般只逡逑作为１０６４ｎｍ的激光使用，因为Ｎｄ３＋：ＹＡＧ发射截面在１．０６ｐｍ处能够产生高功率的荧光输出，逡逑是１．３５ｐｍ处荧光谱功率的４倍。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体作为最早在固体激光器中使用的晶体之一，逡逑是最成熟、使用最广泛的激光晶体材料。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ在高能量Ｑ开关、倍频连续波、锁模、倒逡逑空腔等方面具有突出的性能表现［１（）］。同时，在光学特性上，Ｎ（Ｔ：ＹＡＧ晶体的出光阈值低，增逡逑益系数和斜效率较高，低波长损耗；在热力学和其他方面的性质上，它热传导性能良好，机逡逑械强度高
本文编号：2805791
【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】：2019
【分类号】：O786;TN248
【图文】：
代了蓝宝石中的三价铝离子。Ｃｒ３＋离子起到激活激光受激辐射过程，Ａｈ0３是精光晶体的基质逡逑材料。Ｃｒ＾的能级结构的三能级系统决定了激光器的光谱特性。掺氧化铬红宝石Ｃｒ＾ＡｈＯｓ中逡逑Ｃｒ３—能级结构图［９］如下图１．２所示。在室温条件下，0３＋：八１２０３晶体所构成的固体激光器能够逡逑输出主峰波长在６９４．邋３ｎｍ附近的红光。Ｃｒ＾ＡｋＣｂ可以容易获得大尺寸的晶体，工作时粒子逡逑的亚稳态周期长，输出荧光的功率密度比较大，尤其在单模输出时有较高的能量，并且红宝逡逑３逡逑
钇铝石榴晶体中部分Ｎｄ３＋取代Ｙ３＋离子成为激光激活粒子，掺钕钇铝石榴（Ｎｄ３＋Ｙ３Ａ１５０１２）逡逑的吸收带在紫外光、红外光和可见光中的部分区域较强。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体偏振光各向同性，晶逡逑体受激辐射能级结构属四能级系统，如图１．３所示为Ｎｄ３＋：ＹＡＧ的能级图。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ—般只逡逑作为１０６４ｎｍ的激光使用，因为Ｎｄ３＋：ＹＡＧ发射截面在１．０６ｐｍ处能够产生高功率的荧光输出，逡逑是１．３５ｐｍ处荧光谱功率的４倍。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体作为最早在固体激光器中使用的晶体之一，逡逑是最成熟、使用最广泛的激光晶体材料。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ在高能量Ｑ开关、倍频连续波、锁模、倒逡逑空腔等方面具有突出的性能表现［１（）］。同时，在光学特性上，Ｎ（Ｔ：ＹＡＧ晶体的出光阈值低，增逡逑益系数和斜效率较高，低波长损耗；在热力学和其他方面的性质上，它热传导性能良好，机逡逑械强度高，抗热冲击性能好。逡逑‘Ｉ邋能运／１０５0？－１逡逑１４邋一邋＇、逦—Ｘ逦＾逡逑、２邋—邋Ｋ逦Ｘ逡逑一１「＆逡逑９５０邋ｎｍ／逡逑７５０邋|!逦８１０邋ｎｍ逦１３ｌ９ｎｍ逡逑０邋ｊ逦邋／，ｙＪ邋Ｅｌ逦逦逡逑图１．３邋ＮｄｈＹＡＧ能级结构图逡逑（４）掺铒钇铝石榴石。使用ＥｒＹＡＧ晶体作为增益晶体的激光器有着与Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光逡逑器类似的结构。ＥｎＹＡＧ激光器的栗浦源是脉冲氙灯，聚光腔为镀银的楠圆柱型腔。ＥｎＹＡＧ逡逑激光器对湿度敏感
逡逑图１．２红宝石中铬离子的能级结构逡逑（２）掺钕钇铝石榴晶体。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ是目前激光器领域应用最为广泛的固体激光器增益逡逑晶体。钇铝石榴晶体中部分Ｎｄ３＋取代Ｙ３＋离子成为激光激活粒子，掺钕钇铝石榴（Ｎｄ３＋Ｙ３Ａ１５０１２）逡逑的吸收带在紫外光、红外光和可见光中的部分区域较强。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体偏振光各向同性，晶逡逑体受激辐射能级结构属四能级系统，如图１．３所示为Ｎｄ３＋：ＹＡＧ的能级图。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ—般只逡逑作为１０６４ｎｍ的激光使用，因为Ｎｄ３＋：ＹＡＧ发射截面在１．０６ｐｍ处能够产生高功率的荧光输出，逡逑是１．３５ｐｍ处荧光谱功率的４倍。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体作为最早在固体激光器中使用的晶体之一，逡逑是最成熟、使用最广泛的激光晶体材料。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ在高能量Ｑ开关、倍频连续波、锁模、倒逡逑空腔等方面具有突出的性能表现［１（）］。同时，在光学特性上，Ｎ（Ｔ：ＹＡＧ晶体的出光阈值低，增逡逑益系数和斜效率较高，低波长损耗；在热力学和其他方面的性质上，它热传导性能良好，机逡逑械强度高
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 程小劲;牛金富;徐剑秋;;部分抽运的板条激光器的热效应分析[J];光学学报;2006年06期
2 李隆;史彭;田来科;白晋涛;侯洵;;高功率半导体激光端面泵浦方形掺Nd~(3+)离子激光晶体热形变研究(英文)[J];光子学报;2006年04期
3 郑义,高明义,姚建铨;LD端面泵浦各向异性激光介质的热效应研究[J];光电子·激光;2003年10期
本文编号：2805791
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