高功率激光器频率变换技术研究
发布时间：2020-12-30 07:02
高功率、高效率一直是激光器的发展方向之一,而在利用非线性晶体进行激光谐波转化过程中,非线性晶体的温度梯度引起的相位失配是影响转化效率的关键因素。本文主要对多种激光束通过非线性晶体引起的温度场及其对谐波转化效率的影响开展模拟研究工作,在理论指导下进行了初步激光倍频实验。对高功率激光器的频率变换设计具有一定指导意义。本文从高斯型激光束特性和高功率激光器光束特性和频率变换原理和相关技术(倍频、和频、差频和光参量放大)出发,分析了激光频率变换过程中晶体温度梯度的相位匹配的影响。以多种激光束(圆形、椭圆高斯与超高斯,方形、长方形超高斯)模型,通过有限元分析法对比了不同半径下不同激光束通过LBO晶体变频时的温度场分布,计算了温度梯度引起的相位失配对谐波转化总效率的影响。结果显示,长方形超高斯光束通过晶体时,晶体温度分布较均匀,晶体温度梯度最小;长方形超高斯光束在进行非线性频率变换时温度影响最小,椭圆光束通过晶体时引起的晶体中心温升虽然较小,但光密度集中比圆形光束弱,与圆形光束相比变频效率低。当激光中心光强确定时,高功率激光(对应大直径光束)非线性频率变换时,因在晶体内产生大的温差和温度梯度,谐波转...
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高斯光束截面
9高斯光束是慢振幅近似下亥姆霍兹方程的特殊解，因此我们可以用高斯函数来表示基模激光束的分布特性。其中，用高斯函数描述的光束振幅分布特性的公式如下[41]：zrexpzEE2200（2-1）在z区域，其幅度根据高斯函数定律变化，如图2.1所示。与光轴的距离r=ω(z)定义为光斑半径，在该光斑半径处，振幅下降到光束部分内的最大值的1/e。图2.1高斯光束截面ω(z)可表示为[42]：1202202zzz（2-2）由图2.2中高斯光束传播规律可知，当传输距离z=0时，光束半径达到最小值，此处便被称为高斯光束的束腰位置，整体的光束传播轨迹为一条双曲线，且关于轴线对称。另一方面，由于高斯光束横截面是关于原点对称的，因此我们将横截面在1/e处形成的一个圆称为光斑的半径。沿着该点前进，各处半径的包络是带有渐近线的双曲面（图2.2）。高斯光束的传输特性是它沿传播方向在特定距离内沿角度扩散，即光束的远场发散角，即一对渐近线的角度成正比与波长成反比，且与腰斑半径成反比[43]。图2.2高斯光束传播规律
11其光束光强分布图如下。图2.3高斯光束光强分布图对于高斯光束，其光强分布特性主要由以上几点：（1）当光束沿着z轴传播，则与光束传输方向相互呈90度的x与y面上的各处光强是相同的；（2）在坐标轴z方向即光束传输方向，如果忽略空气损耗，则激光束强度也是相同的；（3）当光束沿着z轴传播，则与光束传输方向相互呈90度的xy截面上的各处相位是相同的；由激光产生的原理可知：腔镜边缘出现衍射损耗的主要原因是激光束进入谐振腔为达到输出阈值来回振荡引起的。所以在激光束传输方向的横截面上，激光束光强中心最强，越靠近边缘光强度越低，也由此我们将在稳定腔传输的高斯激光束称为不均匀传输的平面波。2.1.2高功率激光器光束特性稳定腔和非稳定腔是激光器腔体的两大类别。对于稳定腔而言，我们运用共焦腔模分析理论来对稳定腔进行研究分析，经过多年研究发现，一般情况下我们采用高斯函数来对稳定腔在空间域上的传输形式进行描述[48]。对于非稳腔，腔体的损耗特别大，因为当光束在谐振腔内来回振荡达到阈值的过程中，一定会有一部分能量从侧向逸出，所以我们也可以称其为高损耗腔体。随着对激光器输出功率要求的提高，特别是高功率脉冲激光器，要求获得尽可能大的模体积和好的横模选择能力稳定腔很难满足这些要求，非稳腔在优化的条件下可以实现，因此非稳腔设计是高功率激光器发展的一种重要形式[49-51]。通常情况下，当非稳腔的激光器功率很高时，如果激光器有大菲涅耳数，谐
【参考文献】：
期刊论文
[1]离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输分析[J]. 刘慎哲,宋镇江,黄秀军,石德乐,姜明顺,隋青美,冯德军. 大气与环境光学学报. 2019(06)
[2]高效率三倍频产生355nm皮秒激光的实验研究[J]. 程梦尧,王兆华,何会军,王羡之,朱江峰,魏志义. 物理学报. 2019(12)
[3]光束积分激光空间整形技术[J]. 孟晶晶,余锦,貊泽强,王金舵,代守军,王晓东. 激光与光电子学进展. 2019(13)
[4]不同结构非稳腔光束特性研究[J]. 王炜,万文,唐霞辉. 应用激光. 2018(06)
[5]模态波束双可重构OAM发生器的研究[J]. 周潇潇,刘永杰,李龙. 电波科学学报. 2018(03)
[6]热近非稳腔高重频双波长复合输出激光器研究[J]. 叶庆,王磊,卞进田. 激光与红外. 2018(05)
[7]高效率外腔倍频产生大功率507.4nm连续激光[J]. 赵儒臣,付小虎,孙剑芳,徐震,王育竹. 中国激光. 2017(07)
[8]CsB3O5晶体高效三倍频产生28.3W 355nm激光[J]. 谢仕永,鲁远甫,张小富,乐小云,杨程亮,王保山,许祖彦. 物理学报. 2016(18)
[9]铯原子汽室中吸收线附近的双色光放大实验研究[J]. 王丹,武晋泽,刘晋宏,张俊香. 山西大学学报(自然科学版). 2016(02)
[10]非稳腔Nd:YAG薄片激光器腔内离焦的影响和补偿[J]. 尚建力,于益,安向超,吴晶,唐淳. 中国激光. 2015(01)
博士论文
[1]非稳腔式高能固体激光器中的耦合动力学研究[D]. 苏华.中国工程物理研究院 2015
[2]大功率半导体激光器光束特性及其在泵浦固体激光器中的应用研究[D]. 商继敏.西安电子科技大学 2011
[3]双半高斯空心光束的形成、传输及控制技术研究[D]. 董渊.长春理工大学 2010
硕士论文
[1]固体激光频率转换技术研究[D]. 李大振.山东大学 2019
[2]离轴正支共焦非稳腔光束质量的研究[D]. 罗才智.湖北工业大学 2018
[3]短程手持式激光测距仪的研究与设计[D]. 潘佳.华中师范大学 2014
[4]光学非稳腔输出环形光束中央暗斑重构方法研究[D]. 刘著新.华中科技大学 2013
[5]LD端泵2W绿光全固体激光器的研制[D]. 汪楠.长春理工大学 2011
[6]高峰值功率高脉冲能量Nd：YAG激光器研究[D]. 鄢歆.北京工业大学 2008
[7]非稳腔固体激光器理论设计与实验研究[D]. 邹璐.长春理工大学 2008
[8]激光非稳腔光束质量参数的实验测量及其理论分析[D]. 范嗣强.重庆师范大学 2006
本文编号：2947214
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高斯光束截面
9高斯光束是慢振幅近似下亥姆霍兹方程的特殊解，因此我们可以用高斯函数来表示基模激光束的分布特性。其中，用高斯函数描述的光束振幅分布特性的公式如下[41]：zrexpzEE2200（2-1）在z区域，其幅度根据高斯函数定律变化，如图2.1所示。与光轴的距离r=ω(z)定义为光斑半径，在该光斑半径处，振幅下降到光束部分内的最大值的1/e。图2.1高斯光束截面ω(z)可表示为[42]：1202202zzz（2-2）由图2.2中高斯光束传播规律可知，当传输距离z=0时，光束半径达到最小值，此处便被称为高斯光束的束腰位置，整体的光束传播轨迹为一条双曲线，且关于轴线对称。另一方面，由于高斯光束横截面是关于原点对称的，因此我们将横截面在1/e处形成的一个圆称为光斑的半径。沿着该点前进，各处半径的包络是带有渐近线的双曲面（图2.2）。高斯光束的传输特性是它沿传播方向在特定距离内沿角度扩散，即光束的远场发散角，即一对渐近线的角度成正比与波长成反比，且与腰斑半径成反比[43]。图2.2高斯光束传播规律
11其光束光强分布图如下。图2.3高斯光束光强分布图对于高斯光束，其光强分布特性主要由以上几点：（1）当光束沿着z轴传播，则与光束传输方向相互呈90度的x与y面上的各处光强是相同的；（2）在坐标轴z方向即光束传输方向，如果忽略空气损耗，则激光束强度也是相同的；（3）当光束沿着z轴传播，则与光束传输方向相互呈90度的xy截面上的各处相位是相同的；由激光产生的原理可知：腔镜边缘出现衍射损耗的主要原因是激光束进入谐振腔为达到输出阈值来回振荡引起的。所以在激光束传输方向的横截面上，激光束光强中心最强，越靠近边缘光强度越低，也由此我们将在稳定腔传输的高斯激光束称为不均匀传输的平面波。2.1.2高功率激光器光束特性稳定腔和非稳定腔是激光器腔体的两大类别。对于稳定腔而言，我们运用共焦腔模分析理论来对稳定腔进行研究分析，经过多年研究发现，一般情况下我们采用高斯函数来对稳定腔在空间域上的传输形式进行描述[48]。对于非稳腔，腔体的损耗特别大，因为当光束在谐振腔内来回振荡达到阈值的过程中，一定会有一部分能量从侧向逸出，所以我们也可以称其为高损耗腔体。随着对激光器输出功率要求的提高，特别是高功率脉冲激光器，要求获得尽可能大的模体积和好的横模选择能力稳定腔很难满足这些要求，非稳腔在优化的条件下可以实现，因此非稳腔设计是高功率激光器发展的一种重要形式[49-51]。通常情况下，当非稳腔的激光器功率很高时，如果激光器有大菲涅耳数，谐
【参考文献】：
期刊论文
[1]离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输分析[J]. 刘慎哲,宋镇江,黄秀军,石德乐,姜明顺,隋青美,冯德军. 大气与环境光学学报. 2019(06)
[2]高效率三倍频产生355nm皮秒激光的实验研究[J]. 程梦尧,王兆华,何会军,王羡之,朱江峰,魏志义. 物理学报. 2019(12)
[3]光束积分激光空间整形技术[J]. 孟晶晶,余锦,貊泽强,王金舵,代守军,王晓东. 激光与光电子学进展. 2019(13)
[4]不同结构非稳腔光束特性研究[J]. 王炜,万文,唐霞辉. 应用激光. 2018(06)
[5]模态波束双可重构OAM发生器的研究[J]. 周潇潇,刘永杰,李龙. 电波科学学报. 2018(03)
[6]热近非稳腔高重频双波长复合输出激光器研究[J]. 叶庆,王磊,卞进田. 激光与红外. 2018(05)
[7]高效率外腔倍频产生大功率507.4nm连续激光[J]. 赵儒臣,付小虎,孙剑芳,徐震,王育竹. 中国激光. 2017(07)
[8]CsB3O5晶体高效三倍频产生28.3W 355nm激光[J]. 谢仕永,鲁远甫,张小富,乐小云,杨程亮,王保山,许祖彦. 物理学报. 2016(18)
[9]铯原子汽室中吸收线附近的双色光放大实验研究[J]. 王丹,武晋泽,刘晋宏,张俊香. 山西大学学报(自然科学版). 2016(02)
[10]非稳腔Nd:YAG薄片激光器腔内离焦的影响和补偿[J]. 尚建力,于益,安向超,吴晶,唐淳. 中国激光. 2015(01)
博士论文
[1]非稳腔式高能固体激光器中的耦合动力学研究[D]. 苏华.中国工程物理研究院 2015
[2]大功率半导体激光器光束特性及其在泵浦固体激光器中的应用研究[D]. 商继敏.西安电子科技大学 2011
[3]双半高斯空心光束的形成、传输及控制技术研究[D]. 董渊.长春理工大学 2010
硕士论文
[1]固体激光频率转换技术研究[D]. 李大振.山东大学 2019
[2]离轴正支共焦非稳腔光束质量的研究[D]. 罗才智.湖北工业大学 2018
[3]短程手持式激光测距仪的研究与设计[D]. 潘佳.华中师范大学 2014
[4]光学非稳腔输出环形光束中央暗斑重构方法研究[D]. 刘著新.华中科技大学 2013
[5]LD端泵2W绿光全固体激光器的研制[D]. 汪楠.长春理工大学 2011
[6]高峰值功率高脉冲能量Nd：YAG激光器研究[D]. 鄢歆.北京工业大学 2008
[7]非稳腔固体激光器理论设计与实验研究[D]. 邹璐.长春理工大学 2008
[8]激光非稳腔光束质量参数的实验测量及其理论分析[D]. 范嗣强.重庆师范大学 2006
本文编号：2947214
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