紧凑型高效能固体激光器关键技术研究

摘要

二极管抽运全固态激光器(DPSSL)是激光雷达的关键器件，本文对紧凑型高效能端面抽运DPSSL中的若干关键技术进行研究，其主要内容包括四个部分：高抽运功率条件下抽运光与热效应的相互作用分析；激光器光束质量的热效应自洽控制技术研究；端面抽运Nd:YAG激光器中抽运光的宽光谱吸收技术研究；紧凑型高效能端面抽运调Q激光器的设计方案及样机研制。
　　热效应与抽运光的相互作用研究。在大功率固体激光器中，由于抽运光分布和热效应之间存在复杂的相互作用，所以在对热效应的分析中不能采用固定不变的抽运光分布进行计算，否则会带来较大的误差。本文提出一种反复迭代的数值处理方法，充分考虑抽运光和热效应之间的相互作用和相互影响，并对一些典型端面抽运固体激光器的热效应和抽运光分布进行了分析，研究了是否考虑这种相互作用对计算增益介质内部温度场分布所带来影响。论文中，将增益介质对抽运光的吸收长度和估算的热透镜焦距相比较，提出了用于判断热效应和抽运光相互作用强度的影响因子K，根据影响因子K值可以判断在理论分析中是否需要考虑两者的相互作用。对影响因子K的研究表明，当K小于0.1时，抽运光和热效应相互作用对增益介质内部温度场计算所产生的影响可忽略不计。
　　热效应对光束质量的自洽控制技术研究。在固体激光器中，热效应会同时影响抽运光和振荡光的空间分布。我们发现，在端面抽运固体激光器中，通常存在一个抽运功率的区间段，当抽运功率在此区间内，增益介质内部可形成焦距合适的热透镜，该热透镜同时作用于抽运光和基模振荡光，使抽运光分布和基模振荡光分布在增益介质内高度吻合，从而获得较高的激光器基模效率和光束质量。我们将这种现象，称为热效应对激光光束质量的自洽控制现象。实验表明，当抽运功率处在这个区间以外时，由于抽运光与基模振荡光在增益介质内的空间匹配程度变差，激光器的光束质量迅速恶化。基于上述发现，论文提出一种端面抽运固体激光器的光束质量控制方案，对这个特定的抽运光功率区间加以利用，使抽运光与基模振荡光的空间匹配程度达到最佳，以获得好的光束质量。采用该技术，我们在端面抽运Nd:YAG激光器中，当抽运功率处于105w至115w区间时，实现了激光器光束质量因子小于2.3的激光输出。在此区间外，激光器光束质量因子迅速增加到3以上。
　　端面抽运Nd:YAG激光器中抽运光的宽光谱吸收技术。在大功率端面抽运条件下，为了提高激光器的效率，我们提出一种将Nd:YAG与Nd:YVO4晶体组合应用的方案,将具有优良导热性能的Nd:YAG晶体作为对抽运光的前端吸收晶体，其后端放置具有较宽吸收谱的Nd:YVO4晶体，用来吸收由于谱宽不匹配而没有被Nd:YAG晶体吸收的抽运光能量成分。同时两种晶体在1064nm波长处的发射谱相互重叠，其吸收的抽运光能量可以转化成共同波长的振荡激光，由此来提高对抽运光的利用效率。同时，由于Nd:YAG晶体吸收谱线较窄，极易受到抽运源温度波长漂移的影响，导致激光器输出功率出现起伏变化。该方案利用后端Nd:YVO4晶体的宽吸收谱特性，对未被吸收的抽运光能量进行补充吸收。当抽运源出现波长漂移时，两种晶体通过互补吸收的方式，使激光器吸收效率和输出功率保持稳定，从而降低抽运源温度波长漂移对激光器产生的影响。
　　紧凑型高效能端面抽运调Q激光器的研制。利用模块化设计方式，采用局部均匀化抽运技术、输出镜的硬调节技术以及双向声光衍射技术等工程技术方案，并结合基于热效应的光束质量自洽控制技术以及端面抽运Nd:YAG激光器中抽运光的宽光谱吸收技术，研制出紧凑型高效能端面抽运DPSSL激光器样机。研究了激光器各项参数的测试方法，并对所研制的激光器样机进行了测试。该样机测试结果满足高重复频率(≥10kHz)，窄脉冲宽度(3.6ns)，高峰值功率(1.1MW)，高光束质量(M2=3.9)，紧凑体积小(80×90×180mm3)，输出功率稳定(功率不稳定度小于1％)，高效率(整机插头效率7.2%，光光转换效率38%)等预期技术指标。该激光器样机在外场实验中，完成了对11.9公里远目标的稳定距离测量，具备良好应用前景。