LD端面泵浦准三能级激光器激光转换效率优化
发布时间：2020-09-05 14:12
从第一台激光器出现以来,固体激光器的发展也越来越成熟,使用激光二极管端面泵浦的固体激光器也展示出了其独有的优势。而晶体的参数是设计激光器首先要考虑的因素,晶体的长度对激光器的性能及效率有着不可忽视的影响。激光器的晶体长度对准三能级激光器的自吸收损耗、热致衍射损耗及输出功率有着很大的影响。因此,本文在实验室所做研究的基础上,从速率方程出发,理论计算LD端面泵浦固体激光器的晶体长度与自吸收损耗、热致衍射损耗及输出功率的关系,分析晶体长度对其的影响。主要工作如下:首先,选用Nd:GdVO_4(掺钕钒酸钆)为本课题所用的激光晶体,对其性质做基本的介绍,分析激光晶体相关参数,建立准三能级系统模型,理论分析了在R_1至Z_5能级的912 nm的激光跃迁。其次,建立了准三能级激光器的速率方程,并引入能量传输上转换效应,推导出包含输出功率的隐函数表达式,通过数值计算得到晶体长度与输出功率的关系,表明存在最佳晶体长度使得输出功率最大。然后从理论上对自吸收损耗表达式进行推导,表明自吸收损耗与晶体长度成正比关系。然后,对激光晶体的热效应进行了分析,先对热传导方程进行了详细分析,然后主要对热致衍射损耗效应进行了理论推导,并进行数值计算,得出晶体长度与热致衍射损耗的关系。并且在考虑热致衍射损耗效应的情况下,对激光器的输出功率进行理论分析并计算,得到了晶体长度与激光器输出功率的关系。最后,对谐振腔基本理论进行介绍,并通过对比平-平腔与平-凹腔的优缺点,选择了平-凹腔进行912 nm激光器的实验研究,在理论计算的基础上选取不同的晶体长度进行实验研究,得出不同晶体长度时激光器输出功率的大小,通过与理论计算结果对比并分析,得到了激光器的输出功率最高时所对应的晶体长度的大小为6 mm。
【学位单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
但时自吸收损耗同样也变大，因此存在一个最佳的晶体长度使得在泵浦功率一定时输出功率最大。如图3.3 所示，可以看出在晶体长度为 5-7 mm 时输出功率较大。3.4 自吸收损耗的分析自吸收损耗（也可称为再吸收损耗）是影响准三能级激光器效率的重要因素，由于准三能级激光器的能级特点，准三能级激光器的下能级存在粒子数，产生了对激光的再吸收，使得激光起振阈值增加，影响了激光器的性能[47]。自吸收损耗是准三能级系统激光器不可避免的，是其固有的特点，无法消除，因此需要对其进行分析研究，将自吸收损耗尽量减小，来提高激光器的性能。下面将在前几节所建立的速率方程的基础上，对自吸收损耗进行研究，并且利用数值计算的方法，求解其表达式，并分析晶体长度与自吸收损耗的关系。由上节可知腔内光子数速率方程为( ) ( )0ΦΦΦ0 crystal cτNr,zr,zdVncσdtd (3.52)将其变换一种形式( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + crystalcrystalNr,zNrzr,zdVτNr,zr,zdVncσ00-,ΦΦΦ (3.53)上式中 ΔN′为四能级系统粒子数反转密度，ΔN 为上节所求得的准三能级激光器粒子数反转密度。（3.53）式左边与四能级系统腔内光子数速率方程相同，右边多了一项积
( ) ( ) ( ) crystalceabsNrzNr,zr,zdVnL0,2 ( )( )( )rznfc1τfRrr,zNr,zp,0 + 0002 11p acfRr N f BnNcf Bn + + +与(3.56)两式代入自吸收损耗表达式(3.54)中，同样利用实验参数，吸收损耗的关系。如下图所示，图 3.4 为泵浦功率 Pp= 20 W，模式.65，泵浦光功率一定时，所用泵浦光平均光斑斑半径分别为 100 μm晶体长度与自吸收损耗的关系。图 3.5 为当泵浦光的平均光斑半径分别是 10 W、20 W、30 W 的时候，晶体长度和自吸收损耗之间的
图 3.5 不同泵浦功率时自吸收损耗abs与晶体长度 l 的关系4 与图 3.5 中能够得出，随着晶体长度的变大，自吸收损耗也同样变光斑半径变大，变化得更加明显，也就是说当晶体长度不变的时候，，自吸收损耗越大，而且泵浦光光斑半径对自吸收损耗的影响比较大功率同样成正比，晶体长度一定时，泵浦功率越大，自吸收损耗越大结先建立了准三能级系统模型，将能量传输上转换效应引入到速率方程的情况下对激光器的准三能级系统的速率方程进行了推导，并且通算的方法得到了在不同泵浦功率下激光晶体长度对输出功率大小的影着晶体长度的增加先增加后减小，存在最佳的晶体长度使得激光器输导出自吸收损耗的表达式，并通过理论计算，在不同的泵浦功率或均半径的情况下下，自吸收损耗与晶体长度之间的关系，发现自吸收比关系，晶体长度越长，自吸收损耗越大，表明了晶体长度对激光器
本文编号：2813116
【学位单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
但时自吸收损耗同样也变大，因此存在一个最佳的晶体长度使得在泵浦功率一定时输出功率最大。如图3.3 所示，可以看出在晶体长度为 5-7 mm 时输出功率较大。3.4 自吸收损耗的分析自吸收损耗（也可称为再吸收损耗）是影响准三能级激光器效率的重要因素，由于准三能级激光器的能级特点，准三能级激光器的下能级存在粒子数，产生了对激光的再吸收，使得激光起振阈值增加，影响了激光器的性能[47]。自吸收损耗是准三能级系统激光器不可避免的，是其固有的特点，无法消除，因此需要对其进行分析研究，将自吸收损耗尽量减小，来提高激光器的性能。下面将在前几节所建立的速率方程的基础上，对自吸收损耗进行研究，并且利用数值计算的方法，求解其表达式，并分析晶体长度与自吸收损耗的关系。由上节可知腔内光子数速率方程为( ) ( )0ΦΦΦ0 crystal cτNr,zr,zdVncσdtd (3.52)将其变换一种形式( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + crystalcrystalNr,zNrzr,zdVτNr,zr,zdVncσ00-,ΦΦΦ (3.53)上式中 ΔN′为四能级系统粒子数反转密度，ΔN 为上节所求得的准三能级激光器粒子数反转密度。（3.53）式左边与四能级系统腔内光子数速率方程相同，右边多了一项积
( ) ( ) ( ) crystalceabsNrzNr,zr,zdVnL0,2 ( )( )( )rznfc1τfRrr,zNr,zp,0 + 0002 11p acfRr N f BnNcf Bn + + +与(3.56)两式代入自吸收损耗表达式(3.54)中，同样利用实验参数，吸收损耗的关系。如下图所示，图 3.4 为泵浦功率 Pp= 20 W，模式.65，泵浦光功率一定时，所用泵浦光平均光斑斑半径分别为 100 μm晶体长度与自吸收损耗的关系。图 3.5 为当泵浦光的平均光斑半径分别是 10 W、20 W、30 W 的时候，晶体长度和自吸收损耗之间的
图 3.5 不同泵浦功率时自吸收损耗abs与晶体长度 l 的关系4 与图 3.5 中能够得出，随着晶体长度的变大，自吸收损耗也同样变光斑半径变大，变化得更加明显，也就是说当晶体长度不变的时候，，自吸收损耗越大，而且泵浦光光斑半径对自吸收损耗的影响比较大功率同样成正比，晶体长度一定时，泵浦功率越大，自吸收损耗越大结先建立了准三能级系统模型，将能量传输上转换效应引入到速率方程的情况下对激光器的准三能级系统的速率方程进行了推导，并且通算的方法得到了在不同泵浦功率下激光晶体长度对输出功率大小的影着晶体长度的增加先增加后减小，存在最佳的晶体长度使得激光器输导出自吸收损耗的表达式，并通过理论计算，在不同的泵浦功率或均半径的情况下下，自吸收损耗与晶体长度之间的关系，发现自吸收比关系，晶体长度越长，自吸收损耗越大，表明了晶体长度对激光器
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