大功率激光器光束整形系统设计与研究

发布时间：2020-06-16 22:17

【摘要】：随着现代科学技术手段的不断进步,光辐射压力的研究已逐渐受到广泛重视,如微观领域的激光冷却、光捕陷、光操纵和光推动等的研究,以及宏观领域的激光诱导机械运动、以及航天领域的太阳帆飞船等领域的研究,都出现了光辐射压力的身影。但是目前光辐射压力的测量手段依旧十分有限,因此需要通过更加简便精确地测量才能使其更充分地为人类所利用。本文详细介绍了目前各种类型的大功率激光器,并给出了目前广泛应用的半导体激光器、光纤激光器、全固态激光器、半导体泵浦碱金属蒸气激光器的发展历史和出射功率。结合实验要求选择了额定输出功率为50W的固体激光器,并为了防止过高的激光能量产生大量的热烧蚀被照射物,对初始出射的高斯光束进行匀化扩束,使经过整形后的光束能量分布均匀平行出射。本文选择非球面透镜组对高斯光束进行整形,这种方法结构简单、加工方便并且具有光轴对称性。通过分析非球面整形原理以及平顶光束的传输特点和影响平顶光束光强分布的相关参数,确定了输出光束的函数表达式,再根据能量守恒定律、等光程条件和斯涅耳折射定律可以通过几何方法得出两个非球面的面型解析式,最终确定面型参数,将计算得到的非球面数据拟合为适应ZEMAX特殊形式的非球面表达式。整个整形系统设计可以利用ZEMAX中的优化操作数“REAY”更有效率地进行分布设计,借助光学设计软件ZEMAX的编程语言编写ZPL宏指令,自动优化光束整形系统,最终得到一套大扩束比、结构紧凑的光束整形系统。将整形后的激光光束照射圆形和方形反射片,铝片表面粗糙度Ra小于5nm,并且表面镀以高反膜。实验结果表明,光辐射压力对铝片造成的形变量与其厚度呈现负相关作用。并通过进一步分析证明被照射铝片的负向形变是光压作用,而正向形变则是受支座PLA材料的影响,从而成功测得光压力的存在。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH744.5
【图文】：

光纤激光器,内包

第 2 章大功率激光器的选择法问世，但其对泵浦的半导体激光模式有较高要求，导致单模掺铒光纤放大器仅能输出几百毫瓦的激光，无法满足大功率应用需求。1988 年，采用包层作为光泵浦的媒介这一设想被提出。早期的设计是将内包层设计为圆形, 但对称的圆形内包层会产生不经过纤芯的螺旋光，较低的纤芯利用率也影响着泵浦效率，之后通过对内包层形状的逐步改变，方形、矩形、D 形以及梅花形纷纷应运而生。激光器的转换效率也随之水涨船高。特别是双包层光纤的问世，使得光纤激光器的功率得到了快速的发展，光纤激光器的发展进入了快车道。

双包层光纤,结构示意图,内包,纤芯

图 2-1 大功率光纤激光器结构原理图双包层光纤结构特殊，和常规光纤相比，多了一个包裹纤芯的内包层用于，如图 2-2 所示。设计时选择纤芯的折射率大于内包层，进入内包层的泵浦会以全反射形式多次穿越纤芯，可保证激光始终在纤芯中振荡，从而输出的模式好，质量高，并伴随很高的转换效率[40]，一般掺镱的光纤转化效率可%。作为大功率光纤激光器中不可或缺的组成部分，双包层光纤激光器的转率受内包层的横截面积、形状以及数值孔径影响很大。其中在内包层的诸多中，对称性最高的圆形是转化效率最低的，而在目前其他内包层结构中，在泵浦效率和光纤制备的情况下，梅花形、D 形结构应用最为广泛。

【参考文献】