Yb：YAG薄片激光器連續(xù)和脈沖輸出性能研究.pdf

1、LD端面抽運(yùn)的固體激光器(Diode Pump Solid State Laser,DSSPL)因具有壽命長(zhǎng)、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)而成為固體激光器未來發(fā)展的主要方向之一。但是在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)下增益介質(zhì)的散熱問題仍然制約著固體激光器朝更高輸出功率、更高光束質(zhì)量進(jìn)一步發(fā)展。針對(duì)傳統(tǒng)棒狀激光器中的散熱問題,研究人員設(shè)計(jì)了板條和薄片結(jié)構(gòu)的新型的固體激光器。薄片激光器采用端面泵浦和端面冷卻的工作方式,使得溫度梯度方向與振蕩激光方向一致,因此這種設(shè)計(jì)

2、可以在很大程度上克服熱效應(yīng)產(chǎn)生的影響,從而獲得高光束質(zhì)量高功率的激光輸出。Yb:YAG晶體吸收帶寬寬、熱負(fù)載小、熒光壽命長(zhǎng)、不受再吸收效應(yīng)以及能量上轉(zhuǎn)換的影響,這些優(yōu)異特性使其成為薄片激光器的首選增益介質(zhì)。腔倒空技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)與激光增益和運(yùn)轉(zhuǎn)重頻無關(guān)的恒定脈寬激光輸出,激光能量能夠在一次往返時(shí)間內(nèi)完全輸出。所以,腔倒空技術(shù)能夠有效改善脈沖激光的輸出性能。鑒于上述分析,本文主要研究Yb:YAG薄片激光器輸出激光特性,包括連續(xù)激光輸出特性以及

3、脈沖透射式調(diào)Q(腔倒空)脈沖激光輸出特性。
　　本文首先根據(jù)薄片參量?jī)?yōu)化理論對(duì)薄片各個(gè)參量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),由此分析出薄片晶體厚度、摻雜濃度、水冷溫度、泵浦系統(tǒng)抽運(yùn)程數(shù)對(duì)薄片激光器輸出性能的影響。接下來由準(zhǔn)三能級(jí)速率方程,推導(dǎo)出了不同抽運(yùn)功率下振蕩光斑尺寸與抽運(yùn)光斑尺寸的最佳比值。最后利用ANSYS對(duì)不同邊界條件下Yb:YAG薄片晶體的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力以及端面形變分布情況進(jìn)行了詳細(xì)模擬并與普通棒狀晶體仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,由此說明薄

4、片結(jié)構(gòu)在克服熱效應(yīng)方面的優(yōu)越性。
　　根據(jù)上面理論優(yōu)化結(jié)果,進(jìn)行了Yb:YAG薄片激光器連續(xù)輸出實(shí)驗(yàn)研究。利用940nmLD作為泵浦源實(shí)現(xiàn)了最高功率達(dá)100W的1030nm連續(xù)激光輸出,斜效率達(dá)到55.3％,光光效率為50.3%。為了進(jìn)一步優(yōu)化連續(xù)輸出性能,結(jié)合薄片激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施了Yb:YAG薄片激光器最佳透過率實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該薄片系統(tǒng)最佳透過率T約為12%。
　　從速率方程角度出發(fā),推導(dǎo)了脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出激光的脈

5、沖能量、峰值功率以及脈寬等參量的表達(dá)式,分析了影響其性能的主要因素。優(yōu)化了腔倒空激光器腔內(nèi)參量,由速率方程得到了腔倒空脈沖寬度與諧振腔長(zhǎng)度和調(diào)Q器件開關(guān)時(shí)間的數(shù)值關(guān)系。最終實(shí)現(xiàn)了腔倒空Yb:YAG薄片激光器1030nm脈沖激光輸出,脈沖寬度大小恒定為20.3ns±0.2ns,最高運(yùn)轉(zhuǎn)重頻達(dá)到100kHz,并在100kHz下得到最高平均功率為42W的脈沖激光輸出。在重頻10kHz,50kHz和100kHz時(shí)得到的最高峰值功率分別是109.