紧凑型高峰值功率端面抽运固体激光器研究

摘要

紧凑型高峰值功率端面抽运固体激光器是扫描成像激光雷达的理想光源，其脉冲重复率、宽度、峰值功率等参数分别决定激光雷达的像素分辨率与帧频、测距精度、作用距离等关键指标，对激光成像雷达系统的实际应用效果具有决定性影响。
　　本文以声光调Q激光二极管端面抽运Nd:YAG激光器为研究对象，针对在紧凑结构中实现高重频、窄脉宽、高峰值功率输出的研究目标，开展研究工作。端面抽运激光器中，抽运光与振荡光的三维空间耦合对于输出特性产生重要影响，大功率抽运是获得高峰值功率输出的必要条件，届时晶体热效应问题、谐振腔内高密度振荡光场的有效关断问题成为主要矛盾。本文围绕这些问题开展了详细的理论与实验研究，研究内容可以概括为下述四个部分：
　　第一部分研究抽运光与振荡光的耦合效果。对常用的单芯和多芯光纤耦合半导体激光器的输出光场分布进行测量和分析，数值计算了光纤耦合激光二极管输出光场经过双透镜耦合系统变换后的场分布；采用Fox-Li迭代算法对谐振腔腔模进行数值求解，研究了自再现模形成过程的衍射损耗和光束质量问题；以速率方程为基础，推导了阈值功率、斜效率和输出功率的表达式，研究了抽运光和振荡光空间分布以及输出镜透过率对于输出特性的影响，并进行了实验验证；发现光纤耦合半导体激光器输出光场存在多极值环状结构，且中心存在凹陷，实验比对了两种凹陷程度不同的光纤耦合半导体激光器的抽运效果，由此得出结论，在端面抽运激光器中应采用平凸型抽运光，并提出了平凸型抽运光的测量及判断方法。
　　第二部分研究晶体热效应计算、分析与控制方法。采用有限体积法对晶体的温度场进行数值计算，分析了掺杂浓度、抽运光平均半径、抽运功率对于温度场的影响，并对抽运光离轴、非对称以及边界条件非对称、非均匀情况下温度场的对称性进行了讨论；数值计算了晶体热应变和热应力分布，比较了热透镜、端面形变和热应力对于光程差的贡献，讨论了热致衍射损耗对于激光器阈值和斜效率的影响；针对端面抽运固体激光器热透镜的轴向不均匀性进行深入研究，提出了热透镜的轴向分段计算方法，研究了热透镜的轴向不均匀性对于腔模的影响；提出晶体端面直接散热方案，针对该方案设计了专用热沉及装配工艺方法，比较了相同抽运条件下端面直接散热和传统热沉散热的效果，结果表明该方案可以显著降低晶体抽运端面附近区域的热沉积，有效削弱晶体热透镜效应，适用于大功率端面抽运固体激光器。
　　第三部分研究大功率端面抽运解决方案。提出了阶梯掺杂晶体方案，并依据每段晶体吸收相同、热透镜焦距相等两项原则对两段、三段阶梯掺杂晶体进行优化设计，在此基础之上，提出梯度掺杂晶体的概念，给出了线性梯度掺杂晶体和均匀吸收梯度掺杂晶体的设计和分析结果；采用双端抽运方案分散晶体内部的热功率密度，通过调节抽运源温度，可以实现抽运光谱与Nd:YAG吸收峰值的光谱匹配，有效减小残余抽运光功率，在晶体两端单独注入功率为28.7W和28.5W时，分别获得了8.75W和8.35W的连续输出，双端抽运总功率57.2W时，输出功率达到15.9W，接近单独抽运时最大功率之和；研究了单端抽运低掺杂晶体方案，提出采用银箔作为热界面材料，填充晶体与热沉之间的微孔隙，并通过抽运光场均匀化以及高效热沉的设计，提高晶体散热效率，在晶体掺杂浓度0.1％时，通过有效的耦合和散热设计，将单端注入功率提高至187.7W，此时，输出达到60.1W，光光转换效率32%。
　　第四部分研究高峰值功率调Q技术。由调Q激光器速率方程出发，讨论了影响调Q输出特性的因素，并设计实验予以验证；为了有效关断谐振腔内高功率密度振荡光场，可以利用声光晶体内声场分布的不均匀性，选择高衍射效率区域作为振荡光通道，并将声光Q开光放置在振荡光束束腰位置，在获得高衍射效率的同时，还能有效减小超声波渡越时间对于调Q输出的影响；发现并证实了声光调Q激光器中存在可关断激光振荡的最佳衍射效率；采用双Q开关可以在两个相互正交方向同时产生衍射，有利于关断具有较大发散角的高阶模场，降低对于单个声光Q开关衍射效率的要求；设计了带有翅片结构的激光头壳体，并利用散热风扇强制风冷散热，采用低掺杂晶体方案，测得最大无饱和抽运功率142.6W，输出平均功率32.6W，脉宽6ns，峰值功率达到543.3kW，刀口法测得 M2因子为8.7775。

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第一章 绪论

1.1激光二极管（LD）的发展现状

1.2 DPSSL关键技术及相关研究进展

1.3 高功率DPSSL的研究进展与应用

1.4论文的研究内容

第二章 端面抽运DPSSL的抽运光耦合效果分析

2.1光纤耦合半导体激光器的输出特性

2.2谐振腔中振荡模式

2.3端面抽运DPSSL的输出特性

2.4 耦合效果对于输出特性的影响

2.5 小结

第三章 端面抽运激光晶体温度场求解

3.1激光晶体热传导问题的数学描述

3.2 激光晶体稳态温度场的近似解析解

3.3热传导问题的常用数值解法简介

3.4 有限体积法计算温度场的算法

3.5 方形激光晶体温度场计算结果与分析

3.6圆棒激光晶体温度场的计算

3.7 小结

第四章 晶体热效应及其对DPSSL性能的影响

4.1 晶体热应力分析

4.2 热效应对于DPSSL输出特性的影响分析

4.3热透镜轴向非均匀性研究

4.4 小结

第五章 激光晶体抽运端面的直接散热方案

5.1 晶体端面直接散热方案

5.2 热沉的设计与装配

5.3 物理模型的描述

5.4计算结果与分析

5.5 实验装置与结果

5.6 小结

第六章 提高晶体端面注入功率的方法

6.1 阶梯掺杂晶体方案

6.2 双端抽运方案

6.3单端抽运低掺杂晶体方案

6.4 小结

第七章 高峰值功率声光调Q技术

7.1 调Q脉冲特性的影响因素分析

7.2 谐振腔内高功率密度振荡光场的有效关断方法

7.3紧凑型高峰值功率激光器样机设计及其测试结果

7.4 小结

第八章 结论和展望

8.1 研究结论

8.2研究展望

参考文献

致谢

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