固體紅外激光器理論與實驗研究.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、壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究和軍事領域都有著廣泛的應用。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，以及實用性和緊湊性好等優(yōu)勢，依然是使用最廣泛的激光介質(zhì)。約2μm波長的中紅外激光輻射由于具有對人眼安全，水的吸收系數(shù)高，適合于用光纖傳輸?shù)戎T多

2、優(yōu)點而被廣泛應用于相干激光雷達，大氣遙感探測，高精度外科手術(shù)等領域。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，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題之一是熱管理問題，它包括三個方面： 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，實施有效的冷卻，及時排除激光介質(zhì)上的熱沉積； 第

3、三，對冷卻導致的熱效應進行補償和緩解。 本論文圍繞高功率固體激光器的熱管理問題展開了較為深入的理論和實驗研究。 理論方面：給出了連續(xù)泵浦主動Q開關(guān)運轉(zhuǎn)Nd：YAG激光器熱產(chǎn)生率的解析表達式。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、交疊效率和儲能提取效率等因子的函數(shù)關(guān)系。考慮了Q開關(guān)重復頻率及泵浦速率對熱產(chǎn)生率的影響。研究結(jié)果表明，在其它條件相同時，主動Q開關(guān)運轉(zhuǎn)固體激光器的熱產(chǎn)生率高于連續(xù)運轉(zhuǎn)情形。

4、 基于高斯光束的傳輸矩陣理論，構(gòu)建了包含球面端面激光棒的諧振腔穩(wěn)定性分析方法。并對特定的激光棒參數(shù)和諧振腔參數(shù)進行了數(shù)值計算。計算結(jié)果表明，對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展強熱聚焦作用下的穩(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，通常是以犧牲有效模式體積為代價的。 實驗方面：進行了LD側(cè)面泵浦高功率Nd：YAG激光器的實驗研究，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，獲得最高的連續(xù)運轉(zhuǎn)激光功率1414W，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換效率21％。實驗上證明了球面端面激光棒的引入作為熱透鏡補償?shù)囊环N方式具有顯著的可行性。 設計出一種測量閃光燈泵浦固體激光器熱透鏡焦距的實驗方法。該方法通過測定諧振腔由穩(wěn)定區(qū)進入非穩(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，可以計算激光棒的熱透鏡效應系數(shù)。實驗測量了氙燈泵浦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時測得熱透鏡系數(shù)分別為5.59dpt/kW、4.84dpt/kW、4.38dpt/kW。冷卻水溫分別為25℃，20℃，15℃時測得熱透鏡系數(shù)分別為5.76dpt/kW、5.59dpt/kW、5.36dpt/kW。利用算得的熱焦距值，理論計算了激光棒的溫度分布。 對單脈沖和重復率泵浦Cr：Tm：Ho：YAG激光器的輸出特性進行了實驗研究。研究

7、了諧振腔長度、輸出鏡透過率、冷卻水溫度、泵浦脈沖寬度、泵浦重復頻率等參數(shù)對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激光能級的準三能級本質(zhì)，部分歸結(jié)為高階的熱透鏡效應。后兩種參數(shù)對激光輸出能量的影響歸結(jié)為更復雜的多種因素，如上激光能級的有效儲能，熱透鏡效應等。 實驗結(jié)果：單脈沖泵浦Cr：Tm：Ho：YAG激光器的輸出能量最高達到3.3J，斜率效率4.9％。