固體紅外激光器理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、激光二極管泵浦的高功率固體激光器具有效率高、光束質(zhì)量好，結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和軍事領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。發(fā)射1.06μm近紅外激光的摻Nd3+固體激光器已經(jīng)發(fā)展了棒狀、盤片和光纖等多種工作介質(zhì)形式，其中棒狀激光晶體適應(yīng)多樣的泵浦耦合結(jié)構(gòu)，擁有良好的諧振腔模式與泵浦模式交疊，以及實(shí)用性和緊湊性好等優(yōu)勢(shì)，依然是使用最廣泛的激光介質(zhì)。約2μm波長(zhǎng)的中紅外激光輻射由于具有對(duì)人眼安全，水的吸收系數(shù)高，適合于用光纖傳輸?shù)戎T多

2、優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于相干激光雷達(dá)，大氣遙感探測(cè)，高精度外科手術(shù)等領(lǐng)域。其中氙燈泵浦室溫工作的Cr：Tm：Ho：YAG激光器工作在2.1μm波長(zhǎng)，可用于某些外科手術(shù)(包括切骨術(shù)、硬組織燒融和結(jié)石碎裂等)。 目前，高功率固體激光器研究中最重要的問(wèn)題之一是熱管理問(wèn)題，它包括三個(gè)方面： 首先，提高泵浦源的輻射效率和激光的輻射轉(zhuǎn)換效率以降低介質(zhì)的上的熱耗散總量； 其次，實(shí)施有效的冷卻，及時(shí)排除激光介質(zhì)上的熱沉積； 第

3、三，對(duì)冷卻導(dǎo)致的熱效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償和緩解。 本論文圍繞高功率固體激光器的熱管理問(wèn)題展開了較為深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。 理論方面：給出了連續(xù)泵浦主動(dòng)Q開關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)Nd：YAG激光器熱產(chǎn)生率的解析表達(dá)式。建立了熱產(chǎn)生率與量子效率、斯托克斯效率、輻射量子效率、交疊效率和儲(chǔ)能提取效率等因子的函數(shù)關(guān)系?？紤]了Q開關(guān)重復(fù)頻率及泵浦速率對(duì)熱產(chǎn)生率的影響。研究結(jié)果表明，在其它條件相同時(shí)，主動(dòng)Q開關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)固體激光器的熱產(chǎn)生率高于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情形。

4、 基于高斯光束的傳輸矩陣?yán)碚?，?gòu)建了包含球面端面激光棒的諧振腔穩(wěn)定性分析方法。并對(duì)特定的激光棒參數(shù)和諧振腔參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于幾類典型的諧振腔如平平腔、平凹腔，球面端面激光棒可以顯著的擴(kuò)展強(qiáng)熱聚焦作用下的穩(wěn)定工作范圍；球面端面激光棒在提高約束穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的同時(shí)，通常是以犧牲有效模式體積為代價(jià)的。 實(shí)驗(yàn)方面：進(jìn)行了LD側(cè)面泵浦高功率Nd：YAG激光器的實(shí)驗(yàn)研究，采用了球面端面激光棒，LD陣列7向側(cè)面泵浦。在最

5、高泵浦電功率6820W時(shí)，獲得最高的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光功率1414W，實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換效率21％。實(shí)驗(yàn)上證明了球面端面激光棒的引入作為熱透鏡補(bǔ)償?shù)囊环N方式具有顯著的可行性。 設(shè)計(jì)出一種測(cè)量閃光燈泵浦固體激光器熱透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)方法。該方法通過(guò)測(cè)定諧振腔由穩(wěn)定區(qū)進(jìn)入非穩(wěn)定區(qū)的臨界區(qū)域的泵浦能量，結(jié)合激光諧振腔穩(wěn)定性條件，可以計(jì)算激光棒的熱透鏡效應(yīng)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了氙燈泵浦Cr：Tm：Ho：YAG激光器不同泵浦條件下的熱焦距值，結(jié)果表明，熱焦距隨

6、泵浦脈沖寬度、冷卻水溫度等參數(shù)變化，在泵浦脈沖寬度分別為400μs，600μs，800μs時(shí)測(cè)得熱透鏡系數(shù)分別為5.59dpt/kW、4.84dpt/kW、4.38dpt/kW。冷卻水溫分別為25℃，20℃，15℃時(shí)測(cè)得熱透鏡系數(shù)分別為5.76dpt/kW、5.59dpt/kW、5.36dpt/kW。利用算得的熱焦距值，理論計(jì)算了激光棒的溫度分布。 對(duì)單脈沖和重復(fù)率泵浦Cr：Tm：Ho：YAG激光器的輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究

7、了諧振腔長(zhǎng)度、輸出鏡透過(guò)率、冷卻水溫度、泵浦脈沖寬度、泵浦重復(fù)頻率等參數(shù)對(duì)激光輸出性能的影響。結(jié)果表明，激光輸出能量隨諧振腔長(zhǎng)度的增加大幅度下降。輸出能量隨溫度下降而上升的現(xiàn)象部分歸結(jié)為Ho激光能級(jí)的準(zhǔn)三能級(jí)本質(zhì)，部分歸結(jié)為高階的熱透鏡效應(yīng)。后兩種參數(shù)對(duì)激光輸出能量的影響歸結(jié)為更復(fù)雜的多種因素，如上激光能級(jí)的有效儲(chǔ)能，熱透鏡效應(yīng)等。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)蚊}沖泵浦Cr：Tm：Ho：YAG激光器的輸出能量最高達(dá)到3.3J，斜率效率4.9％。