百焦耳固体激光器高效三倍频系统设计及实验研究

摘要

三倍频光学系统作为百焦耳固体激光装置与物理实验耦合的关键系统,实现高效率、高输出质量、高稳定性的谐波转换,对于降低基频光通量要求和装置运行风险、提高物质吸收效率和运行稳定性,具有十分重要的意义。本文针对百焦耳钕玻璃固体激光装置,对高效率三倍频系统的相关问题进行了系统的研究和模拟,并在此基础上,进行了离线和在线调试实验,得到了高效稳定的三倍频光输出。
　　本论文主要分为三个部分:高效三倍频系统的优化设计;三倍频系统扰动分析及其抑制方案;高效三倍频的实验研究。
　　高效三倍频系统的优化设计是实现高效稳定三倍频光输出的基础。本文从倍频和和频的耦合波方程组出发,建立了三倍频系统的数值理论计算模型。基于此模型,对高效三倍频方案进行了优化设计,主要包括两种高效三倍频方案的量化分析、晶体的参数优化以及不同用户需求下的控制方案。最终采用II/II类偏振失配方案,倍频、和频晶体厚度均为14mm,通过对三倍频模块整体偏摆、俯仰、滚转三个方向的运动实现对倍频晶体角度、和频晶体角度、偏振角度的调节。
　　对高效三倍频系统的各种扰动进行分析和抑制是保障装置运行稳定的重要前提。本文主要对噪声引起的基频光振幅波动、传输衍射调制、温度扰动、基频光时间波形、晶体夹持畸变、机械结构振动这几种因素对三倍频系统性能的影响进行了分析。当噪声调制深度较小时,噪声对于三倍频的系统性能影响不大。当调制深度大于0.07时,三倍频效率值将下降10％以上。对于其他几种扰动,均提出了相应的抑制方案,最大程度地减少了扰动对于三倍频系统能能的影响。
　　三倍频的实验研究主要包括系统测试、离线调试、离线基准转移和在线调试几个方面。本文首先对三倍频的系统性能进行了测试,主要包括温湿度控制性能、系统运动性能、机械结构性能等,然后进行了离线调试实验和在线调试实验,在功率密度为0.5GW/cm2、时间波形为三角波的情况下得到了33%的三倍频效率,与理论模拟结果基本相同。并针对现在存在的问题,提出了后续改进三倍频系统性能的方法。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 高效三倍频系统简介

1.3 国内外研究现状及分析

1.4 高效三倍频系统研究存在的问题

1.5 本论文主要研究内容及章节安排

第2章 三倍频物理模型的建立及模拟计算

2.1 引言

2.2 三倍频物理模型的建立

2.3 三倍频物理模型的求解

2.4 相位匹配角及波矢失配量的计算

2.5 三倍频模拟结果的正确性验证

2.6 本章小结

第3章 高效三倍频方案的优化设计

3.1 引言

3.2 输入基频光基本条件

3.3 高效三倍频方案的选择

3.4 晶体的选择及优化设计

3.5 利用实验结果改进设计参数的方法

3.6 高效三倍频控制方案

3.7 本章小结

第4章 三倍频系统扰动分析及抑制方案

4.1 引言

4.2 基频光光束质量对三倍频系统性能的影响

4.3 温度扰动对三倍频系统性能的影响分析

4.4 晶体微应力夹持方案的设计

4.5 机械结构稳定性

4.6 本章小结

第5章 高效三倍频的实验研究

5.1 引言

5.2 系统测试与晶体安装

5.3 离线调试实验

5.4 在线调试实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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