全固态高性能振荡级激光器的研究

发布时间：2020-08-12 07:15

【摘要】：随着激光技术的飞速发展,全固态高性能振荡级激光器为机载观瞄系统、激光雷达系统以及激光预警、探测系统等应用技术领域提供关键性光源。其中由于传统全固态电光调Q激光器无法保证激光器在恶劣环境中运转,采用波罗棱镜腔有效消除对准失调,降低激光功率密度,补偿热致双折射以及调谐耦合输出率。为获得百瓦级高光束质量的激光输出,采用双棒串接腔技术,实现100W-QCW-1064nm高光束质量激光器输出。进一步采用主振荡+功率放大(MOPA)技术实现200W高光束质量的激光输出。由于高新技术产业、科学研究的前沿领域对紫外、中远红外全固态激光器的广泛需求,紫外、中远红外非线性光学晶体及与其相关的紫外、中远红外全固态激光器成为国内外材料及激光高技术领域研究的前沿与热点。全固态高功率Nd:YLF激光器因其特有的激光波长和激光特性成为可见光、紫外光/深紫外光和中远红外光等激光系统的关键性基频光源。由于全固态高性能振荡级激光器在众多领域中的重要实际应用价值而成为研究热点。本文的研究工作主要集中在全固态高功率电光调Q激光器、100W/200W高光束质量激Nd:YAG棒状光器以及激光放大系统、全固态高功率Nd:YLF/LBO激光器等理论和实验研究。本文的主要内容可以归纳如下： 1、从Nd:YAG激光晶体特性、泵浦结构设计、泵浦光场分布特性、晶体的温度分布、热效应形成机制分析、测量、消除等方面对激光增益介质的热效应进行深入研究。在实际的研究工作中对激光增益介质的热管理进行有效掌控,从而实现全固态激光系统高性能运行。 2、从理论上研究各种参量对调Q激光的影响,采用传统平—平腔型实验方案,实现高能量电光调Q激光输出。为解决实验过程中激光棒的端面容易出现坏点以及输出光束质量畸变等问题,优化设计运用正交波罗棱镜腔补偿热致双折射以及消除对准失调问题。利用琼斯矩阵分析Z型正交波罗棱镜腔运转特性,对比几种市售的波罗棱镜,分析波片方位角与偏振透过率、反射臂的有效反射率、输出臂的耦合反射率以及补偿波罗棱镜相位延迟的波片数关系。搭建零相移正交棱镜腔和采用非正常波片波罗棱镜腔实验系统,进一步验证优化设计出Z型波罗棱镜腔激光器中的关键参数。 3、从理论上对双棒串接双凸腔模式运行特性进行研究,通过数值模拟计算不同补偿条件下双棒串接双凸腔中光束质量、棒中模体积、模形状与棒温差和双棒间距离的关系。进一步优化设计实验方案,实现高功率、高光束质量激光输出：理论分析和数值计算棒内TEM00光束尺寸以及双棒串接双凸腔稳区运行特性；理论分析和数值计算双棒谐振腔中光学元件未对准灵敏度特性。相关计算结果可为后续双凸双棒串接腔以及双棒串接四镜环行腔实验提供详细的理论指导。 4、设计双凸直腔和L型腔结构,采用双棒串接技术,利用热近非稳腔选模特性,实现100W-QCW-1064nm (M21.5,峰值功率1250W)高光束质量非偏振和偏振激光输出。进一步采用MOPA技术,实现200W-QCW-1064nm (M21.5,峰值功率2500W)高光束质量激光输出。在200W-QCW-1064nm高光束质量激光器实验研究基础之上,进行整体激光系统工程化研究。对其整体放大激光系统的光斑抖动特性进行研究,满足工程化研究应用要求。并依据测试的结果,对整体激光系统下一步工程化研究工作打下良好的基础。 5、通过对Nd:YLF晶体以及Nd:YLF激光头各项性能研究。运用倍频理论,理论分析和计算LBO晶体的相位匹配特性、有效非线性系数、临界及非临界相位匹配参量。讨论环行腔运行特性,为后续环行腔结构设计提供理论指导。采用双棒串接c轴垂直放置、中间加旋光晶体等措施补偿热透镜效应的各向异性。通过在晶体及腔镜镀1微米波长减反膜的方式抑制1微米激光振荡。双棒串接短腔实现高功率28W-QCW-1321nm高功率、高光束质量激光输出。据我们所知,此结果在全固态双棒状串接准连续1321nm Nd:YLF激光器中,其输出功率达到先进水平。在短腔实验的基础上,设计四镜环形腔结构,实现18W-QCW-1321nm基频激光输出。进一步采用非线性频率变化技术实现6W-QCW-660nm倍频激光输出。理论分析330nm紫外激光输出特性。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248
【图文】：

能级图,能级图

图2.1-1 Nd:YAG的能级图Figure 2.1-1 The energy level diagram ofNd:YAG在室温下，Nd:YAG主要的1.06nm谱线因热激发晶格振荡而均匀加宽。克子能级之间的各个跃迁来说，光谱截面测量值为a(R2-Y3)=6.5>d(ri9c为295K时，上斯塔克子能级中的麦克斯韦一玻尔兹曼小数为0.427，Nd:YAG的有效截面为a(4F3/2—4In/2)=2.8xl0-i9cm2。有效的受激发射截面与所有4F3/2多重态的粒子数在上激光能级的占有率之乘积。图2.1-2 N的劳光光谱图(使用美国Ocean Optics公司HR2000+型号光栅光谱仪，00nm-1100nm)。Nd:YAG在0.3~0.9^mi范围中的吸收光谱如图2.1-3所表2.2给出了 Nd:YAG的热性能。表2.2 Nd:YAG的热性能Table2-2 Thermal properties of Nd:YAG特性 ^ 200K lOO热导率 W cm.i K ' ^ 0.5

谱图,谱图,吸收光谱

图2.1-2 Nd:YAG晶体的炎光光谱图“ Figure 2.1-2 The fluorescence of Nd:YAG crystalLO 丨 0.9- — 0.8 — 0.7 ■ ■ 0.6 , —* OS - — 04 I 丨 jI; -0.3 I I 11 二匕jlj ■ ■■0.3 0 4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9X /iim图2.1-3 Nd:YAG在300K：时的吸收光谱Figure 2.1-3. The absorption spectra of Nd:YAG crystal(300K)

吸收光谱,吸收光谱,北京交通,博士学位论文

北京交通大学博士学位论文IN d:YAG I18000tCOOO -1 iOOO -12000 -? 10D0D -tn ,5 8D0D - I> 60 DO - |l: /LAjul0 -? ■ , I ■ I , I ? I ■丨 I2ap ?00 600 8 DO 1 000 1 2 DOjv?ltngth( n m )图2.1-2 Nd:YAG晶体的炎光光谱图“ Figure 2.1-2 The fluorescence of Nd:YAG crystal

【参考文献】