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3000W灯泵浦脉冲Nd:YAG固体激光器技术研究

姜梦华  
【摘要】:本论文对大功率脉冲Nd:YAG激光器技术进行了探讨和研究,在脉冲Nd:YAG单元模块优化设计的基础上,通过对多棒串接谐振腔中晶体棒对准精度的理论研究,进行了多棒串接实验,分别采用六棒串接谐振腔和四棒串接两棒放大的MOPA结构获得了3000W以上的脉冲激光输出,并对两种结构进行了对比分析。 根据大功率脉冲Nd:YAG激光器的应用要求,对大功率固体激光器的技术方案进行对比分析,优化了脉冲Nd:YAG单元模块结构设计,给出了腔内六棒串接和四棒串接两棒放大的MOPA结构两种具体技术方案。 对脉冲Nd:YAG单元模块的泵浦均匀性和热应力进行了模拟计算,通过对最佳工作参数的实验研究,获得了平均功率为586W,峰值功率为3.45kW,最高单脉冲能量为34.9J的脉冲激光输出。电光效率为4.04%,光束质量为22.5mm×mrad,连续工作输出功率不稳定度为1.1%。 对不同切割方向Nd:YAG晶体的热退偏效应进行了理论和实验的探索研究,结果表明:[111]切割方向的Nd:YAG晶体,退偏大小不随偏振方向的变化而变化;[100]方向的Nd:YAG晶体热退偏与偏振方向有关,通过改变线偏振的方向可以获得热退偏最小的方向,这个方向上的热退偏小于[111]方向Nd:YAG棒的热退偏。 对Nd:YAG脉冲单元模块进行了无锥度直孔打孔应用,通过实验研究了脉冲组合方式、激光焦点位置、组合脉冲个数等因素对激光冲击打孔孔锥度的影响。采用能量递增的组合脉冲,激光焦点位于材料表面上方1.1~1.7mm,通过控制脉冲组合个数,在厚度为1.5mm和3mm的镍基高温合金材料上,获得孔径分别为480μm和510μm的直孔,重复打孔孔径误差约30μm,孔锥度1%。 对六棒串接谐振腔晶体棒间距、热焦距对稳区范围的影响进行了理论分析。针对多棒串接脉冲激光器的串接需要,提出采用4×4矩阵研究晶体棒失调对谐振腔光轴、模体积和输出指向性的影响:(1)通过对谐振腔内晶体棒不同排列下失调导致的光轴变化的计算,给出了六棒串接谐振腔中晶体棒的对准精度范围,以及对光轴偏移影响最大的失调晶体棒排列方式;(2)通过对模体积损耗的模拟计算,给出了谐振腔内对模体积影响最大的晶体棒位置;(3)模拟了输出指向性随晶体棒失调量和热焦距的变化。 实验中调整激光模块,使每根晶体棒的失调角度≤0.037°,实现了六棒串接脉冲Nd:YAG激光器。采取调整晶体棒泵浦功率的方法对晶体棒热焦距不匹配进行补偿,在输入电功率87kW,占空比为17%时,最高输出功率为3043W,峰值功率17.75kW,最高单脉冲能量66J,光束参数乘积为26.3mm×mrad,电光转换效率3.5%。 研究了四棒串接两棒放大的MOPA结构中晶体棒失调对谐振腔光轴的影响,给出了MOPA结构中晶体棒的对准精度范围。研究了MOPA结构激光器中晶体棒间距、热焦距匹配的影响,结果表明:放大级晶体棒与振荡级晶体棒对称放置,热焦距相同时,可以有效利用晶体棒的模体积,提高放大级的能量提取效率,有利于获得高功率输出。 实验中,激光器采用四棒振荡两棒放大的MOPA结构,调整激光模块,使每根晶体棒的失调角度≤0.042°,在输入电功率87kW,占空比17%时,最高输出功率为3011W,峰值功率17.7kW,最高单脉冲能量为67J,光束参数乘积为:25.2mm×mrad。电光转换效率3.46%,长时间输出功率不稳定度小于2%。 与六棒串接脉冲激光器相比,MOPA结构具有以下优点:(1)MOPA结构谐振腔内晶体棒数量减少,更加容易实现棒间距和热焦距匹配;(2)MOPA结构晶体棒失调允许范围比六棒串接谐振腔的失调允许范围大,更容易达到串接精度要求;(3)在相同的角度失调量下,MOPA结构的的光轴偏移量更小。因而采用腔内四棒串接腔外两棒放大的MOPA结构,有利于实现高平均功率、高脉冲能量的激光输出,提高脉冲激光器工作的安全性。


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