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复合晶体的热特性及实验研究

单春霞  
【摘要】:半导体激光器(Laser-Diode, LD)泵浦的全固态激光器具有体积小、效率高、稳定性好和寿命长等优点,在国防、光电子产业、光通讯和医疗卫生等领域有着重要的应用。激光晶体是全固态激光器中最重要的核心部分,在很大程度上它决定了激光器的输出特性。随着大功率半导体激光器技术的不断完善和发展,高功率二极管泵浦固体激光器已经成为国内外学者的研究热点,这些研究主要集中在如何有效地提高激光输出功率和改善激光光束质量方面,然而固体激光介质中的热效应是研究高光束质量、高输出功率的激光器的最大障碍,产生热效应的主要原因: 1.由于泵浦光子能量和激光光子能量的差异,泵浦光没有完全转换为激光,一部分能量是以热量的形式释放出来。 2.激光跃迁的荧光过程量子效率小于1,因淬灭机制产生热; 3.泵浦原的发射光谱是有一定宽度的,激光增益介质只能吸收一部分光谱范围的光,其他光有可能被基质吸收而产生热。 本文从实际应用出发,建立了矩形截面激光晶体的热模型,通过求解热传导泊松(Possion)方程,在复合晶体YVO_4/Nd:YVO_4的基础上提出了YVO_4/Nd:YVO_4/YVO_4/KTP作为绿光激光器的设想,进而利用matlab软件计算了YVO_4/Nd:YVO_4/YVO_4后端面与KTP前端面的最大形变量是1.7×10~(-5)μm,在分子间作用力范围内,也就是说YVO_4/Nd:YVO_4/YVO_4/KTP晶体不会因为热形变及应力双折射而使晶体破裂,进一步说明了YVO_4/Nd:YVO_4/YVO_4/KTP作为腔内倍频绿光激光器的工作物质是完全可行的。 大功率Nd:YAG固体激光器以其波长短(相对于CO2激光器)、材料吸收率高、体积小、能用光纤传输等优点,成为有竞争实力的加工光源。本文主要介绍了振镜式激光打标机,通过实验记录的数据模拟了输入功率与输出功率的关系式,及在25℃时的热焦距,通过多组实验得到了合适的稳定腔。 本文的内容分为四部分:(1)综述;(2)复合晶体的理论分析;(3)介绍了倍频及YVO_4/Nd:YVO_4/YVO_4/KTP的可行性论证;(4)简单介绍了激光打标机及Nd:YAG模块作为激光打标机光源性能测试;(5)全文总结。 (1)对LD泵浦的全固态激光器的发展历程进行了简要回顾;介绍了全固态激光器有连续和脉冲两种工作方式,及实现脉冲的途径:主动调Q和被动调Q;简单介绍了端面泵浦、侧面泵浦和角泵浦三种泵浦方式和几种常用的、适于端面泵浦的激光晶体及倍频晶体KTP。 (2)根据激光晶体热效应的基本理论,建立了矩形截面激光晶体理论模型,研究了激光介质的热效应,了解到温度分布不均匀是激光介质产生热应力、热透镜效应和双折射效应的根源,研究了热效应产生的原因。 (3)首先介绍了倍频技术,得到了在连续基波振荡器中,腔内功率密度远大于腔外,而二次谐波功率与基波功率的平方成正比,因而倍频时应将倍频晶体置于腔内束腰位置处。提出了腔内倍频由于复合晶体YVO_4/Nd:YVO_4后端面形变大导致键合KTP后会断裂的解决方法,就是在YVO_4/Nd:YVO_4与KTP之间键合YVO_4,论证了其可行性。 (4)介绍了激光打标机的发展,重点介绍了振镜打标机的结构及操作方式。介绍了谐振腔的传输矩阵及模块性能测试。 (5)对课题的研究工作进行了总结,并进一步提出了一些很有意义的方向。


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