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基于双波长综合泵浦的固体激光器可控热管理研究

殷苏嘉  
【摘要】:固体激光器由于其与生俱来的不良热效应严重限制了各项输出性能指标。根据前人对传统和共振泵浦方式长时间以来的研究经验,并鉴于两者各自的优势和不足,我们提出综合泵浦方式——通过调整两种泵浦光的输入功率比例,一方面对激光系统产生的无用热的多少进行控制,实现激光器的热可控管理;另一方面使系统产生的热沉积和输出功率达到一个最佳平衡点,以期在普通掺杂浓度和长度的增益介质中实现DPSSL的大功率、高效率、低热量和高光束质量的运转。在本论文中,我们采用尺寸为3x3x4mm3,掺杂浓度0.5-at%的Nd:YVO_4晶体进行综合泵浦实验研究。主要内容和创新点如下: 1.本文在四能级速率方程的基础上对晶体浓度选择和系统热效应行了理论分析并对输出特性进行了模拟。讨论了在各种限定条件下最佳泵浦配比点的确定方法并创新地提出了综合泵浦方式的评价指标η(具有效率的量纲)。 2.实验过程中我们选取了几组输入功率值,在每组总输入功率固定的前提下测量了808nm泵光所占比例分别为0%、20%、50%、80%和100%时的输出和产热。在808+880nm综合泵浦的试验中,当总输入功率为20W且泵光全部为808nm时获得最大输出功率10.85W和最大热量6.69W;泵光全为880nm时获得输出功率8.31W和产热2.43W。在配比改变时两极端情况下的输出功率变化(23.41%)远小于热量变化(63.68%)。分析数据可知中间状态配比点具有相对高的输出和低产热的特点,这使得在维持一定输出效果的前提下通过改变泵光配比来控制产热的想法得以实现。 3.通过实验所得数据我们得到了综合泵浦方式评价指标η的实验曲线。根据该曲线,当808nm泵光所占比例x为~41%时η取得最大值0.5,与模拟值相互吻合。此时输出功率和产热分别为9.57W和3.89W,相比808nm单波长泵浦,在输出只损失11.8%的情况下产热下降了41.85%之多;相比880nm单波长泵浦整体转换效率提高了15.16%,证明了理论分析的正确。 4.808+888nm的综合泵浦实验主要用来和808+880nm泵浦方案对比。结果表明880nm泵光更适于与808nm泵光搭配对系统进行热量控制;而两者在η曲线中极值的位置和极值本身大小的差异进一步验证了η的实用合理性。综合泵浦评价标准的意义在于,对于任意固体激光系统都能通过该方法将输出和产热完美的平衡。我们所做的工作包括寻求综合泵浦下最佳配比、实现热量可控与管理,其本质都在于综合提高任意激光系统对泵浦光的整体有效利用率。


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