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固体激光器阶梯掺杂晶体研究

尹晓雪  
【摘要】: 如何有效的控制激光器热效应已经成为激光器研究重点之一。激光晶体的热效应由晶体的热耗、晶体自身的性质以及晶体散热方式共同决定。泵浦源的空间分布以及晶体的吸收性质这两者共同决定了吸收泵浦光在晶体中的空间分布和热耗。晶体对泵浦光的吸收取决于晶体掺杂浓度等晶体的性质,传统激光晶体为均匀掺杂浓度,晶体中泵浦光的吸收沿着吸收长度指数衰减,造成了晶体温度纵向分布不均匀,晶体端面热效应严重,晶体吸收效率沿着晶体长度方向逐渐降低,引起了吸收效率和温度分布的不一致性。 本文主要讨论了晶体掺杂浓度对吸收泵浦光的影响,针对吸收造成的热效应纵向分布的不均匀,提出了分散热效应思路。根据激光晶体掺杂浓度与泵浦光吸收之间的关系得出了阶梯掺杂晶体模型。以LD端面泵浦Nd:YAG固体激光器为例,在实际制作工艺条件下,讨论了阶梯掺杂晶体的分段数、晶体掺杂浓度和晶体的长度,以使每段激光晶体吸收的热功率和热透镜焦距大致相等,总的热透镜焦距较大,在此基础上,提出了梯度掺杂晶体结构。最后仿真分析得到了晶体的温度分布和热透镜焦距变化。结果表明,与均匀掺杂晶体相比,采用阶梯掺杂晶体和梯度掺杂晶体,泵浦光的吸收功率密度沿纵向分布更加均匀,激光晶体的温度明显降低,且温度沿纵向分布更加均匀,端面形变明显变小,热透镜效应得到改善。 本文的最后讨论了激光晶体的输出特性。文中讨论了吸收饱和效应和受激发射截面的减小对晶体输出功率的影响,并且模拟分析了采用阶梯掺杂晶体结构后输出功率的改善情况。


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