高功率全固態(tài)綠光激光器的研究.pdf

1、全固態(tài)激光器(半導(dǎo)體泵浦的固體激光器)具有體積小、重量輕、效率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性好，維護費用低等優(yōu)點，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)、軍事、醫(yī)療和科研等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，已成為應(yīng)用激光器中的主流。高功率全固態(tài)綠光激光器因其在激光材料加工、激光彩色顯示、激光醫(yī)療以及激光同位素分離等領(lǐng)域的重要應(yīng)用而成為研究的熱點。本文的研究工作主要集中在高功率全固態(tài)1342nm激光器、1064nm激光器、準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)全固態(tài)綠光激光器的理論和實

2、驗研究等方面。主要創(chuàng)新點歸納如下： 1.研究了1342nm二極管激光器單端泵浦Nd:YVO4激光器，在實驗中采用弱聚焦耦合系統(tǒng)、使用低摻雜濃度晶體以及合理的腔型設(shè)計獲得了7.36W穩(wěn)定的TEM00模1342nm激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率32.8％，功率不穩(wěn)定度0.3 ％。此結(jié)果在1342nm激光器的功率穩(wěn)定性方面處于國際領(lǐng)先水平，在端面泵浦1342 nmNd:YVO4激光器功率水平方面為國內(nèi)最高。 2.從理論上研究了雙棒之

3、間距離對穩(wěn)定性和光束質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示，在熱致雙折射補償腔中，當(dāng)雙棒分別靠近激光器腔鏡時可以得到更低的M2值，同時發(fā)現(xiàn)，雙棒內(nèi)主平面之間距離應(yīng)接近熱焦距長度之和，這樣在補償熱致雙折射的同時可以實現(xiàn)高功率無損傷運轉(zhuǎn)。然而，在含90°旋光片的對稱平行平面雙棒諧振腔中，熱致雙折射補償造成法向(fr)和切向(fφ)熱焦距長度的輕微不對稱，打破了諧振腔的對稱性，在穩(wěn)區(qū)中產(chǎn)生一個窄的非穩(wěn)區(qū)。由于這個窄非穩(wěn)區(qū)的存在，當(dāng)泵浦激光功率上升到此處時激光輸

4、出功率會出現(xiàn)波動或下降。因此，有必要消除這個窄的非穩(wěn)區(qū)以得到激光功率隨泵浦電功率的穩(wěn)定線性增長。通過g參數(shù)分析，我們發(fā)現(xiàn)對稱共焦腔結(jié)構(gòu)方法，可以消除穩(wěn)區(qū)中存在的非穩(wěn)區(qū)，我們也研究了該腔結(jié)構(gòu)下雙棒之間距離對穩(wěn)定性和光束質(zhì)量的影響。 3.用傳輸矩陣法，通過穩(wěn)區(qū)圖分析了單棒對稱和非對稱平行平面腔結(jié)構(gòu)。在分析穩(wěn)定條件、r偏振和φ偏振模式尺寸的基礎(chǔ)上，闡明了不同諧振腔內(nèi)實現(xiàn)激光穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的條件。又從理論上分析了有熱致雙折射補償和無熱致雙折射

5、補償雙棒串接腔中，r偏振和φ偏振對諧振腔穩(wěn)定條件的影響，得到了短腔和長腔情況下的穩(wěn)區(qū)最大范圍。并從實驗上進(jìn)行了驗證，理論與實驗相一致。在雙棒短腔情況下，獲得了482.3W的1064nm激光輸出功率，光-光轉(zhuǎn)換效率40.2％。 4.通過對介質(zhì)中耦合波方程的求解，對不同情況下Q開關(guān)的衍射效率進(jìn)行分析，并介紹了幾種新型聲光Q開關(guān)的工作原理。用龍格-庫塔法數(shù)值求解內(nèi)腔倍頻激光器的聲光調(diào)Q速率方程，得到內(nèi)腔倍頻激光器中倍頻晶體的最佳長度以

6、及倍頻晶體最佳長度與泵浦水平和腔內(nèi)損耗的關(guān)系。為聲光調(diào)Q綠光激光器的研究奠定了基礎(chǔ)。 5.分別采用50W和150W半導(dǎo)體側(cè)泵模塊、進(jìn)行了單棒和雙棒串接聲光調(diào)Q內(nèi)腔倍頻綠光激光器的研究。用一個50W模塊得到31.2W 532nm綠光輸出，重復(fù)頻率7kHz，光-光轉(zhuǎn)換效率17.3％，功率不穩(wěn)定度小于1％。用兩個50W模塊雙棒串接，得到56W 532nm準(zhǔn)連續(xù)綠光輸出，重復(fù)頻率9kHz光-光轉(zhuǎn)換效率15.6％，功率不穩(wěn)定度小于1％。采

7、用單個150W模塊進(jìn)行綠光實驗，用KTP內(nèi)腔倍頻得到68.3W的綠光輸出；用LBO內(nèi)腔倍頻得到66.6W的綠光輸出，后者光-光轉(zhuǎn)換效率18.2％。已經(jīng)開發(fā)出20W和40W綠光激光器產(chǎn)品，整體性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。 6.進(jìn)行了高功率連續(xù)綠光激光器的實驗研究。采用側(cè)面泵浦方式和三鏡折疊諧振腔設(shè)計，高效KTP晶體作為腔內(nèi)倍頻晶體，用北京國科和武漢三浦的泵浦組件，分別得到20.7和22.7W的連續(xù)波綠光激光輸出，功率不穩(wěn)定度在1％左右，