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二极管泵浦固体激光器及放大器的研究

李志刚  
【摘要】:二极管泵浦的固体激光器是近年来国际上发展最快,也最具发展潜力的新型激光器之一。这种激光器由于采用了窄光谱的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯作为泵浦源,大大提高了系统的效率和可靠性,改善了光束质量,被称为激光史上的一次革命。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,其中最主要的障碍来自激光晶体的热效应。本文系统地研究了提高二极管泵浦固体激光器输出功率和改善光束质量的理论,调Q技术以及激光放大技术等。主要内容如下: 1) 理论研究: (1)热透镜效应和消除热透镜效应的研究 在端面泵浦固体激光器中,泵浦光被聚焦到激光晶体中心很小一个区域,使得这个区域存在很大的热负载,从而导致严重的热透镜效应,应力双折射,甚至引起晶体破裂。虽然已有大量的文章在研究这些热效应,但大多数集中在Nd:YAG晶体上,而且都作了很多近似和假设,没能反映出热透镜的分布情况。最近,Nd:YVO4激光晶体也由于其大的发射截面,和高的效率而越来越受到重视,但有关它的特性和热透镜效应的研究却相对缺乏。 这篇论文建立了一个有限元模型对二极管端面泵浦Nd:YVO4 激光器中的热效应进行了详细的理论模拟和实验研究,从而提出了几种简单而又行之有效的消除热透镜效应的方法。研究中发现在Nd:YVO4激光晶体中,由端面变形产生的热透镜效应几乎占整个热透镜效应的一半,而复合晶体则可以很好地消除这种端面变形,同时复合晶体也可以有效地降低激光晶体的温度,从而大大改善了晶体的热透镜效应,提高了激光的输出功率,明显地改善了光束质量。在高功率二极管端面泵浦的固体激光器中,泵浦面的温度高达180oC,这对端面的镀膜有很大的影响和破坏作用,复合晶体可以大大降低泵浦端面的温度,降低高温对膜层的影响和破坏,从而提高激光输出效率和改善光束质量。模拟中发现,在高功率泵浦的情况下,激光晶体中存在吸收饱和现象,传统的计算热透镜公式必须经过修改后才能准确地计算出激光晶体中的热透镜大小。理论和实验均表明,为了获得好的光束质量,在设计激光腔时,必须使激光晶体中的光斑小于泵浦光斑。另外采用平顶泵浦光和大的泵浦光斑,以及长的低搀杂浓度激光晶体能提高激光输出功率,同时也有利于改善光束 WP=4 质量。其相关研究结果已分别在IEEE, Journal of Quantum Electronics 和中国激光等期刊上发表。 (2)自激放大(ASE)对被动调Q激光器性能影响的探讨 研究中发现,在一般的激光器中,ASE对激光器性能的影响很小,可以忽略, 而对高增益的激光器,如在Nd:YVO4激光器中 ASE则会明显影响激光器的性能。速率方程是描述调Q激光器调Q动态特性的最基础的方程,但在有ASE存在的情况下,传统的激光速率方程却不再能够准确描述激光的动态特性,只有在速率方程中引入了ASE修正项后,新速率方程才可以很好地模拟出激光的动态特性。本论文第一次从理论上研究了ASE对被动调Q激光器性能的影响,该理论研究结果已在Journal of Optical Society of America (B)期刊上发表。 2)实验研究 (1)高性能激光器的设计 基于以上的理论研究,采用光纤耦合输出半导体激光器端面泵浦复合结构Nd:YVO4晶体,激光晶体搀杂浓度为0.5%,晶体尺寸为4(4(4+4(4(6mm,其中4(4(4mm为非搀杂部分,用来有效传热和阻止端面变形。泵浦光纤芯径为0.8mm,泵浦光经过一对1:1准直聚焦透镜聚焦到激光晶体中,激光腔长120mm,输出镜透过率15%,泵浦功率24W的情况下得到11W的基模高斯光束输出,效率超过45%,对应的光束能量呈高度圆对称分布,其圆对称度小于1.1,象差小于 0 .11,光传播质量因子M21.5。 (2)声光调Q激光器的优化设计 通过对声光调Q激光器系统进行优化,在1kHz-10kHz的重复频率下得到脉宽小于9ns,能量大于0.35mJ的激光脉冲,消除了在声光调Q激光器中经常出现的关不断和多脉冲现象,光传播质量因子M21.3。 (3)被动调Q技术的研究 被动调Q技术不需要主动调Q所必需的高压或者射频电源,降低了系统的成本,也受到普遍关注。特别是最近出现的用半导体体材料GaAs作为饱和吸收体的调Q技术又掀起了一股研究被动调Q技术的热潮。这篇论文研究了用GaAs同时作为饱和吸收体和输出镜的被动调Q技术,得到了高频率脉冲系列。 (4)一种新的双Q开关技术的研究 WP=5 这种新的Q开关技术采用声光调Q器件控制调Q频率,用非线性饱和吸收体GaAs作被动调Q器件同时作为输出耦合镜缩短脉宽。这种调Q技术可以有效缩短脉宽,得到对称的脉冲形状。利用这种调Q技术,采用优化的激光腔,在1kHz的重复频率下得到了3ns的脉宽和0.25mJ的脉冲能量。其相关研究结果已在Optics Communication期刊上发表。 (5)激光放大技术的研究 在固体激光器中,很难同时得到高的输出功率和好的光束质量。端面泵浦固体激光器光束质量好,但是输出功率低,侧面泵浦固体激光器可以得到高的输出功率,可是光束质量却很差。而采用主振荡级加功率放大器(MOPA(Master Oscillator with Power Amplifier)结构的激光系统却可以同时得到高输出功率和好的光束质量。 在激光放大器中,要有效地抽取放大器中的能量,放大


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