碱合属蒸气激光及其放大器的稳态和含时特性研究

发布时间：2020-10-29 06:51

　　 作为一种新型的气体激光器,半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)具有量子效率高、热效应低、光束质量好、高功率连续运转、无化学污染等优点,在激光冷却、材料加工、定向能量传输、医疗、国防和科学等领域有较大的应用前景。因此,深入研究激光动力学和流体动力学机制、探索能获得更大功率的泵浦结构、预测高功率泵浦下的温度分布和输出特性,对指引今后该类激光器的设计方向具有重要意义。本文首先提出了四种新型横向泵浦结构,包括横向四端、梯形、半环和环形LD泵浦。相较于以往的泵浦结构,它们能在蒸气池侧面排列更多的半导体激光阵列,以获得更大的激光输出。给出了这四种泵浦结构不同的蒸气池分割方法和相应的数值算法,用横向单端泵浦的实验参数进行模拟,分析了几种泵浦结构的输出特性。其次,在高功率泵浦下必须考虑碱金属原子的高能级跃迁(包括能量碰撞转移、光激发、电离和复合等)、放大自发辐射、饱和效应等,同时引入流动进行散热。在耦合速率方程与热平衡方程的基础上,建立起高功率泵浦DPAL放大器的基本模型,并提出了放大区域温度的简化算法。接着,提出了纵向泵浦DPAL放大器和横向单端、双端泵浦DPAL的三维温度模型,并给出了相应的三维泵浦光强、激光光强和温度分布的迭代算法。计算结果表明,高功率下只考虑恒定温度或者单一温度分布的假设是不充分的,考虑3D温度分布才能获得与实验相一致的结果。在此基础上,首次绘制了纵向泵浦放大器、横向泵浦激光器的三维温度分布。在考虑泵浦光和激光光强的径向分布和光斑半径的轴向分布(统称为“光束分布”)、以及温度的径向分布的基础上,耦合了功率的一阶ODE(常微分方程)与温度的二阶ODE,建立DPAL及其放大器的ODE模型。计算结果揭示了增益介质内平顶分布的、比受激辐射更宽的自发辐射区域,在一定程度上削减了激光输出。另外,计算所得的猝灭产热占比超过了弛豫,占总产热的一半以上。最后,综合考虑光强的径向分布和光斑半径的轴向分布,同时将速率方程、功率传输方程和三维热传导方程相结合,建立起碱金属蒸气激光器的含时温度模型。计算得到的含时功率和含时温度曲线与实验结果非常吻合,平均激光功率和最大温升与实验基本一致。在多脉冲泵浦模式下探索了实现更短热弛豫时间和更大输出能量的方法,并获得了重复频率高于100Hz的准连续激光输出。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

２．１引言??目前光泵碱金属蒸气激光器的泵浦结构有两种：纵向（轴向）泵浦和横向（侧??面）泵浦，如图２－１。纵向泵浦结构包括纵向单端泵浦［Ｍ】以及纵向双端泵浦［５＿７］；??而横向泵浦结构目前实验上只有横向单端泵浦一种［８，９］。这些不同泵浦结构的相??应模型已经由多个研究组建立［１（）－｜６】。另外，为了在保证光束质量前提下进一步提??高ＤＰＡＬ的功率，部分研究组还对不同泵浦结构的主振荡器功率放大器（ＭＯＰＡ）??进行了研究［１７＿２１］，展示了?ＤＰＡＬ的高效率和功率放大的潜力。??横向泵￥?＿对梦＿??｛?＾??一…３，??图２－１纵向与横向泵浦结构（光泵）??为了获得高功率ＤＰＡＬ，一个必要条件是要有高功率泵浦光源，这就需要使??用多个半导体激光进行泵浦。对于纵向泵浦结构而言，将四个以上的泵浦光束耦??合进蒸气室中是非常难的［２２］

２．２横向四端泵浦??２．２．丨理论模型??图２－２是横向四端泵浦碱金属蒸气激光ＭＯＰＡ系统的示意图【２３］，其中蒸气??池是一个空心圆柱体（／？ＸＬ），里面充有了增益介质和缓冲气体。四束关于光轴??对称分布的泵浦光在侧面通过狭缝耦合进入蒸气池，其沿２轴的强度分布可以假??设为均匀的。祌子光从ｘ－ｙ平面进入蒸气池并沿着ｚ轴传播以被放大。??ｙ??／?Ｐｕｍｐ?ｂｅａｍｓ??一：—’??Ｗａｓｔｅ?ＯｏＣｉｔａｔｏｒ?ｇ６ｅ＜ｊ?ｂｅａｍ??：?Ｔ７－－ｒｒ－７?；?；?＾??＼?Ｐｕｍｐ?ｂｅａｍｓ??ｘ??图２－２四端对称泵浦碱金属蒸气激光放大器的结构简图??在横向（ｘ，?ｙ）上，我们把蒸气池分割为一个个Ａｘ?ｘ?４ｙ?ｘ?Ｌ的体积元，如图??２－３所示。假设来自四个不同方向的泵浦光聚焦在蒸气池的中心轴上，则每个体??积元都有四个方向的泵浦光功率（Ｐ／、＆＿、Ｐｙ＋和Ｐｆ）。??Ｐ＾？．ｙＡ）?Ｓ?〇?ｓ?Ｐ；（？，ｙ．Ａ．）?〇??Ｔ＊Ｉ?Ｔ？Ｉｌ??ＣｗＳ—６—（?－ｒ－Ｓ?＼１Ｔ?Ｔ?Ｋｌｌｉｎ＂５??⑷?（ｂ）??ｙ?ｖ?ｙ丨??图２－３蒸气池分割示意图（１／４横截面）。黑色粗线是泵浦光的当前位置，而灰??色线是它们之前的位置。（ａ）表示只考虑两个垂直方向泵浦光；（ｂ）表示考虑全??部四个方向的泵浦光??１３??

２．２横向四端泵浦??２．２．丨理论模型??图２－２是横向四端泵浦碱金属蒸气激光ＭＯＰＡ系统的示意图【２３］，其中蒸气??池是一个空心圆柱体（／？ＸＬ），里面充有了增益介质和缓冲气体。四束关于光轴??对称分布的泵浦光在侧面通过狭缝耦合进入蒸气池，其沿２轴的强度分布可以假??设为均匀的。祌子光从ｘ－ｙ平面进入蒸气池并沿着ｚ轴传播以被放大。??ｙ??／?Ｐｕｍｐ?ｂｅａｍｓ??一：—’??Ｗａｓｔｅ?ＯｏＣｉｔａｔｏｒ?ｇ６ｅ＜ｊ?ｂｅａｍ??：?Ｔ７－－ｒｒ－７?；?；?＾??＼?Ｐｕｍｐ?ｂｅａｍｓ??ｘ??图２－２四端对称泵浦碱金属蒸气激光放大器的结构简图??在横向（ｘ，?ｙ）上，我们把蒸气池分割为一个个Ａｘ?ｘ?４ｙ?ｘ?Ｌ的体积元，如图??２－３所示。假设来自四个不同方向的泵浦光聚焦在蒸气池的中心轴上，则每个体??积元都有四个方向的泵浦光功率（Ｐ／、＆＿、Ｐｙ＋和Ｐｆ）。??Ｐ＾？．ｙＡ）?Ｓ?〇?ｓ?Ｐ；（？，ｙ．Ａ．）?〇??Ｔ＊Ｉ?Ｔ？Ｉｌ??ＣｗＳ—６—（?－ｒ－Ｓ?＼１Ｔ?Ｔ?Ｋｌｌｉｎ＂５??⑷?（ｂ）??ｙ?ｖ?ｙ丨??图２－３蒸气池分割示意图（１／４横截面）。黑色粗线是泵浦光的当前位置，而灰??色线是它们之前的位置。（ａ）表示只考虑两个垂直方向泵浦光；（ｂ）表示考虑全??部四个方向的泵浦光??１３??
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 任国光;伊炜伟;齐予;黄吉金;屈长虹;;美国战区和战略无人机载激光武器[J];激光与光电子学进展;2017年10期

本文编号：2860544