高重频大能量1.06μm脉冲串激光研究

摘要

为获得同时具有高重频、大能量的脉冲激光，一种串状脉冲激光进入了人们的视野，结合MOPA结构，可实现一段时间内的高重复频率与大脉冲能量的兼顾输出。本文从激光脉冲串的产生及放大两方面，对脉冲串的输出特性进行了较为深入的研究。
　　论文首先从调Q的速率方程出发，研究了脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率等与初始反转粒子数和阈值反转粒子数之间的关系，分析了激光脉冲的放大过程，通过求解脉冲信号放大的速率方程，得出矩形脉冲信号经放大后反转粒子数密度速率方程组与光子流密度的通解，解出了功率增益系数与能量增益系数的表达式，进一步得出了在有损耗介质中，小信号与大信号入射时，光子数密度随增益介质长度变化的结论。
　　其次开展了脉冲串激光输出的实验研究。对879nmLD泵浦源的输出功率及波长进行测定，振荡级利用脉冲端面泵浦及腔内声光调Q的方法产生脉冲串重频为200Hz，持续时间为1ms，子脉冲重频分别为10kHz、20kHz、50kHz、100kHz、200kHz、500kHz的激光脉冲串。在泵浦功率达到最大时，输出串能量分别为42.9mJ、44.6mJ、44.4mJ、43.4mJ、42.6mJ、42.4mJ，单脉冲脉宽分别为10ns、12ns、17.9ns、20.1ns、33.7ns、38.7ns，峰值功率分别为381.8kW、184.8kW、48.9kW、21.6kW、6.3kW、2.1kW，脉冲串变异系数分别为1.8％、2.1%、3.6%、5.1%、7.4%、14.5%。利用刀口法测得子脉冲重频为10kHz与100kHz时的光束质量M2值分别为1.47与1.57。
　　最后开展了采用MOPA结构的脉冲串激光放大实验研究。放大级利用两级808nmLD三向环绕侧面泵浦放大模块且选用一级双程、二级单程放大的方式，对脉冲串重频为10Hz，子脉冲重频分别为10kHz和100kHz的种子光进行放大，最后得到经一级单程放大后，脉冲串能量分别为129.0mJ、128.7mJ，脉宽分别为16.4ns、22.4ns，提取效率为7.1%、7.2%；经一级双程放大后，脉冲串能量分别为212.9mJ、218.8mJ，脉宽分别为18.4ns、23.4ns，提取效率为14.3%、14.8%。经二级单程放大后，最终输出脉冲串能量分别为396.7mJ、412.1mJ，单脉冲能量为39.7mJ、4.1mJ。脉宽分别为18.5ns、27.5ns，提取效率为15.3%、16.1%。研究了经各级单/双程放大后，输出能量、提取效率随放大模块增益的变化以及提取效率随注入能量的变化，对比了放大前后输出脉冲串激光的光强分布。

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第1章 绪论

1.1课题背景及目的意义

1.2脉冲串激光发展概述

1.2.1国内研究近况

1.2.2国外研究近况

1.3本文的主要研究内容

第2章 MOPA脉冲串激光器基本理论研究

2.1常见增益介质特性

2.1.1 Nd:YVO4激光晶体特性

2.1.2 Nd:YAG激光晶体特性

2.2调Q技术的基本理论研究

2.2.1调Q的速率方程

2.2.2声光调Q的基本原理

2.3脉冲激光放大技术的基本理论

2.3.1行波激光放大基本概念

2.3.2脉冲信号放大的速率方程

2.3.3矩形激光脉冲放大理论分析

2.3.4脉冲激光在有损耗增益介质中的放大分析

2.4本章小结

第3章 MOPA主振荡级脉冲串产生实验研究

3.1振荡级产生脉冲串激光的实验方案

3.1.1 879nm泵浦源输出特性测试

3.2耦合透镜组与激光输出镜优化实验研究

3.2.1输出镜最佳透过率优化

3.2.2泵浦光斑优化

3.3振荡级脉冲串激光输出特性研究

3.3.1输出脉冲串能量、单脉冲能量及峰值功率实验研究

3.3.2脉冲串子脉冲脉宽及稳定性的实验研究

3.3.3光束质量测量

3.4本章小结

第4章 MOPA脉冲串放大特性实验研究

4.1脉冲串系统放大级实验方案

4.2一级放大输出特性实验研究

4.2.1一级单程放大实验研究

4.2.2一级侧面泵浦放大模块双程放大实验研究

4.3二级放大输出特性研究

4.4本章小结

结论

参考文献

声明

致谢