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高亮度全固态二极管泵浦固体激光技术研究

唐淳  
【摘要】: 高功率二极管激光器是开展高平均功率DPL研究的必要条件。本文首先研究了高功率二极管激光器封装技术,二极管条散热冷却是高功率二极管激光器封装要解决的核心问题。根据二极管条结构及辐射特性,建立了散热过程数值计算模型,数值模拟研究了热沉参数对封装激光器性能的影响。计算结果与实验结果相符,表明建立的模型是可靠的,有助于封装的合理设计。实验封装出峰值功率100W、占空比20%的准连续线阵二极管激光器,寿命达2.19×10~9次;同时封装了连续40W线阵二极管激光器。激光器谱线宽度<3nm,电光效率接近40%。 根据对二极管激光器不同工作模式要求,分别研究了采用冲击式冷却器的背冷式二维阵列封装和微通道冷却的模块化封装。对于高平均功率二维阵列封装,关键是高效液体冷却器技术。为此,建立了液体冷却器散热效率数值计算模型,并采用ANSYS有限元程序进行了数值计算,优化了冷却器结构参数。冷却器采用无氧铜材料及线切割和铅焊常规加工工艺,降低了冷却器加工难度及成本。实验研制的冷却器通道宽0.15mm~0.2mm,深0.3mm~1mm。铜微通道冷却器厚1.5mm。冷却器热阻~0.3°C/W。利用该冷却器实验封装出连续输出1kW的二维阵列二极管激光器,激光中心波长808nm,谱线宽度~2nm,电光效率达45%。本文有关高平均功率二极管激光器封装研究结果大部分未见国内相关文献报道。 本文建立了精确计算激光介质增益分布的数值模型及给出了激光棒热效应分析的变参数计算模型,其计算结果用有限元程序进行了验证。利用建立的模型计算并设计了Nd;YAG棒二极管泵浦模块。实验研制出峰值功率6500W、占空比>12.5%的Nd:AYG棒放大泵浦模块。实验结果表明,泵浦模块增益分布均匀,平均小信号增益系数0.22cm~(-1)~0.28cm~(-1),与模拟计算相吻合。 考虑到Nd:YAG激光下能级寿对放大器能量提取的影响,建立了脉宽对放大器能量提取影响的数值计算模型及程序,计算结果与已建立的板条MOPADPL系统的实验数据进行了比对并对程序进行了修正,提高了程序的可靠性。用该程序数值计算了1J MOPA DPL放大器增益过程,为放大器设计提供了依据。本文还开展了多模石英光纤应用于窄脉冲、高重复频率MOPA DPL系统改善光束质量的实验研究。实验结果表明,光纤相位共轭镜能很好补偿放大器热效应造成的光束畸变,在100Hz时获得近60%的SBS反射率。采用锥度光纤获得了大于85%的反射率,实验验证了锥度光纤提高SBS反射率的设计思想。 数值模拟研究了薄片构形激光介质的激光特性,综合评价了高功率系统中几种常用激光介质采用薄片结构的发展潜力。采用有限元方法数值模拟了薄片中的温度分布及在不同约束条件下应力、应变规律,分析并给出了薄片激光器设计的基本原则,设计了连续输出kW的薄片激光器。


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