二极管泵浦固体激光器中晶体热效应的研究

摘要

热效应是影响固体激光器性能的重要因素，本文以二极管泵浦固体激光器为研究对象，重点理论研究和数值模拟了激光器中激光晶体的热透镜效应，并讨论了热透镜的弥散效应。创新点在于解析计算了激光晶体在高斯泵浦源下四阶近似下的温度场分布和由于温度梯度引起的热透镜焦距。
　　 本文首先以四能级激光速率方程为基础，讨论了高斯光束对基模高斯振荡光的性能的影响，计算了泵浦光和低阶模式高斯振荡光的交叠积分，并分析了泵浦光和振荡光光场空间的模式匹配程度对激光器输出特性的影响。
　　 其次，重点研究了由于温度梯度引起的激光晶体的热透镜效应问题，研究步骤是一.讨论了高斯光束和超高斯光束泵浦源的光强分布；二.假设晶体侧面保持恒定的温度，讨论了不同泵浦源下，激光晶体的三维温度场的分布。解析推导出了高斯光束泵浦源下，激光晶体的三维温度场的四阶近似表达式，数值模拟了超高斯泵浦源下激光晶体的三维温度场分布；三.理论推导了高斯泵浦源下，激光晶体的热透镜焦距。
　　 为了直观清晰地表现晶体的热透镜效应，利用有限元软件和数学分析工具模拟计算了高斯泵浦源下，激光晶体中热效应对光波产生的相位差，并研究了热透镜焦距沿晶体径向的变化规律。研究表明，通常情况下热透镜为非理想光学透镜，平面光波通过晶体将变为非球面波，出射后形成弥散斑。
　　 本文提出了一种判断热透镜这种弥散效应大小的数学参数M，定义为最小弥散斑半径与衍射极限光斑半径的比值。利用几何光学的方法研究了M参数随泵浦功率和泵浦光半径的变化规律。研究发现，最小光斑到晶体出射端面的距离随泵浦功率的增大而减小，随泵浦光半径的增大而增大。最小光斑半径只与泵浦光半径有关，与泵浦功率无关。M参数随泵浦功率的增大而增大，随泵浦光半径的增大而减小。得到结论，泵浦光功率越大，泵浦光半径越小，光斑质量越差；反之，泵浦光功率越小，泵浦光半径越大，光斑质量越好。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1固体激光器的发展概述

1.1.1固体激光器的发展过程

1.1.2 LD泵浦固体激光器

1.2晶体热效应机理及影响

1.3晶体热效应研究现状

1.4本文研究重点和主要内容

第二章二极管泵浦固体激光器理论研究

2.1速率方程理论

2.2输入输出特性分析

2.3泵浦光空间分布对输出特性的影响

第三章二极管泵浦固体激光器热效应分析研究

3.1泵浦源强度的空间分布

3.1.1高斯光束泵浦源

3.1.2超高斯光束泵浦源

3.1.3光纤束耦合LD输出光场与超高斯光束的对比

3.2 DPL散热

3.3激光晶体三维温度场分布

3.3.1高斯泵浦源下晶体的温度分布计算

3.3.2超高斯泵浦源下晶体的温度分布计算

3.4激光晶体的热透镜效应

3.5小结

第四章二极管泵浦固体激光器热透镜效应的数值模拟

4.1 ANSYS稳态热分析的基本过程

4.2模型的建立

4.3模型的数值求解

4.4小结

第五章二极管泵浦固体激光器热透镜弥散效应讨论

5.1热透镜弥散效应评价因子：数学参数M

5.2出射光线空间传输模拟及最小弥散斑位置的确定

5.3泵浦功率和泵浦光半径对M参数的影响

5.4小结

第六章总结与展望

致谢

参考文献

研究成果

附录