LD端面泵浦固体激光器中晶体的热效应研究

摘要

本文以二极管端面泵浦固体激光器为研究对象，理论分析和实验研究DPL在端面泵浦方式下激光晶体端面形变热效应。本文研究结果证实并发现当大功率泵浦光进入小面积晶体端面时，晶体中出现了热效应，其表现的晶体热效应包括三个部分：其一、主要是径向温度梯度引起折射率梯度，进而出现的热透镜效应，其二、激光晶体轴向热膨胀引起端面形变，产生端面效应，端面形变分为轴向伸长形变和凸起形变，其三、晶体材料形变产生的热应力双折射。本文研究步骤为首先建立热效应理论模型，采用差分法进行数值计算，通过计算机模拟和实验研究的手段研究影响激光器输出特牲的因素。模拟晶体端面的温度扬，求出晶体缅的热形变场。最后在实验中进行验证，研究发现，随着激光器泵浦功率密度的增加，端面形变热效应相对于温度梯度及其他因素在总热透镜效应中所占比例越来越大，当接近于激光晶体的饱和阈值和损伤阈值时，端面形变热效应的影响比温度梯度和热引力双折射热效应的影响更大。端面形变研究成了大功率激光二极管泵浦固体激光器研究中的极为重要问题，本论文首先意识到此问题研究的重要性，并从理论上进行端面形变的计算和端面形变对端泵DPL性能的影响的计算，从实验上进行端泵DPL端面形变的测量的研究。本论文还意识到泵浦光的不同空间分布也是引起不同的端面形变的原因，故讨论了不同泵浦光空间分布下晶体的温度场和形变场，并重点讨论非高斯光也就是具有不同平顶度的平顶光光束泵浦下，会对DPL的阈值，斜效率和输出功率所产生的影响。 本研究面临的困难有三个方面，其一，端面泵浦DPL的端面形变研究，因泵浦光耦合系统紧贴晶体端面，需设计恃定的耦合系统，让参考光在不影响泵浦光耦合状态下可以进入晶体的端面并反射后进入探测系统。本文采用单透镜耦合系统，解决了此困难。其二，需提供高光束质量的参考光，并需设计专门机构使参考光能够在狭窄的空间进行扫描，而扫描的长度为4mm。其三，此比方面的理论研究不多和不够深入。 所建的物理和理论模型满足以下条件：在直角坐标或柱坐标下，将晶体端面置于xy面上，端面中心为坐标系中心，z轴沿晶体的轴向，808m LD端泵浦激光晶体，两端面绝热，激光晶体侧面置于通水冷却的热沉中，侧面温度恒定。满足三雏热传导方程。 所采用的计算机模拟技术为差分法，半解析法和有限元方法。 设计并采用的实验方法为干涉法和激光扫描法，测量晶体的端面形变。采用干涉法测量总热透镜焦距。并通过在不同泵浦及冷却状态下的热透镜的焦距变化对热效应进行了研究。 本论文具有如下五个创新点： 1)认识到当激光晶体受到高功率密度泵浦光泵浦时，热效应是影响激光器性能参数的因素，它包括晶体内端面形变，温度梯度以及热引力双折射热效应。建立了理论漠型，研究了泵浦功率对端面形变产生影响和端面形变热效应对DPL振荡光陛能的影响。此工作国内外没人做。 2)找到了测量端面泵浦Nd：YAG晶体的泵浦面形变场分布的实验新方法一光束扫描法和干涉条纹法，该方法解决了端面泵浦Nd：YAG晶体的泵浦面形变场分布难以测量的问题，且易于实现和操作。(发表在中国激光2006年第五期)本文所述激光扫描法为让参考光沿晶体的端面小步距扫描，比较有无泵浦光时各扫描点在探测面上对应光点的位置的移动情况，通过几何分析与数值计算，可逐段得到端面的形变场分布，将上述实验结果与在理想模型下所求解的结果比较，发现实验值与理论值基本—致，晶体的端面形变场最大峰值处在泵浦光在端面的聚焦位置处。另外发现端面的形变场分布的对称性受泵浦光对称性影响，且曲线不光滑。 本文所述干涉法为让参考光经扩束后打到晶体的端面，在晶体的端面上放置一块光学玻璃，采用一维遮掩技术，遮挡住光学玻璃前表面的反射光束，将晶体表面的反射光束与光学玻璃后表面的反射光束进行干涉，通过测量其干涉条纹的移动情况从而测出其端面形变。此方法测量精度高。且测量结果直观，易于观察，易于研究，为研究端面形变热效应研究大开了方便之门并能从实验上定一研究端面形变当中的晶体的整体轴向伸长量和端面的弯曲伸长量。 3)提出了—种新的测量热透镜的方法——干涉条纹法，考虑到端泵结构中，泵浦光耦合系统紧贝占DPL晶体端面，为此设计了专门结构，让参考光从激光晶体的前端面进入，并可以在晶体的后表面反射出去，实验发现在晶体的前端面的反射光和晶体后表面的反射光发生了干涉现象，通过其条纹的移动情况就可以精确测出其总的热透镜焦距。因为此时的热效应是由于端面形变，温度梯度和引力双折射热效应所引起的，并且相互交织在一起的。通过理论估算与用此方法所测的热透镜焦距相比较，表明此方法所测热透镜焦距随着泵浦光功率的增大而缩短，二者越来越吻合，验证了该方法的可靠性。此方法测量精度高。该方法解决了端泵Nd：YAG时，由温度梯度，热应力双折射和端面形变所引起的总的热透镜焦距难以测量的问题。 4)找到—种端泵DPL在出激光时在线测量热透镜焦距的方法。本文建立了热透镜等效腔模型透过求解得出腔内光束束腰半径然后用刀口法测出DPL腔外的远场发散角，结合光束的透镜传输理论，给出测量端泵固体激光器热透镜焦距的—种实用可行的新方法．研究表明，通过上述方法所得结果与理论计算出热透镜焦距吻合，证实此方法准确，可行。 5)提出了描述LD端面泵浦固体激光器中非高斯泵浦光的方法，给出了LD端面泵浦固体激光器中泵浦光为平顶光束及平顶光束的平顶度的定义，并讨论了具有不同平项度的平顶光光束对端面形变产生的影响以及对固体激光器阈值、斜效率和输出功率所产生的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1激光二极管与热耗

1.1.1激光二极管

1.1.2 DPL中的热耗

1.2 DPL中晶体热效应机理及影响

1.3晶体热效应问题的研究现状

1.4晶体端面形变的研究现状

1.5本文的研究重点及主要工作

第二章LD端泵固体激光器中晶体的热效应

2.1二极管端面泵浦固体激光器

2.1.1连续输出的速率方程

2.2端面泵浦时的振荡光和泵浦光分布函数

2.3端面泵浦固体激光器的数值模拟

2.3.2输出特性受高斯泵浦光的束腰位置影响

2.3.3高斯泵浦光束腰对阈值功率和输出功率的影响

2.3.4高斯泵浦光的发散角对阈值功率和输出功率的影响

2.4晶体内的温度分布

2.4.1温度分布产生的折射率分布

2.4.2热耗分布产生的热应力

2.4.3热耗分布产生的端面形变

2.4.4晶体的综合热透镜效应

2.5总结

第三章端泵固体激光器中晶体的热应力模型

3.1端泵固体激光器中晶体的热弹性方程

3.2端泵固体激光器中晶体的形变

3.2.1激光晶体中的热应力

3.2.2激光晶体中的热形变

3.3热应力的求解

3.4总结

第四章端面泵浦固体激光器热效应的计算机模拟计算

4.1高斯光端面泵浦ND：YAG的温度场

4.1.1差分法模拟温度场

4.1.2有限元法模拟温度场

4.1.3半解析法求解Nd：YAG端面温度场

4.2圆柱光泵浦时温度场分布

4.3平顶光泵浦时温度场

4.3.1平顶度的定义

4.3.2平顶光热耗与温度场

4.4 LD端面泵浦固体激光器中晶体端面的热应力场

4.5端面泵浦固体激光器晶体端面的热形变场

4.5.1高斯光泵浦下的端面热形变场

4.5.2圆柱光泵浦下的端面形变

4.5.3平顶光泵浦下的端面形变

4.5.4侧面导热情况与端面形变

4.6总结

第五章端面形变对DPL振荡光性能参数的影响

5.1 DPL中晶体端面形变计算模型

5.2端面形变模拟求解

5.3总结

第六章端面泵浦固体激光器中晶体的热效应的实验研究

第七章非高斯光束端面泵浦固体激光器研究

结论

致谢

参考文献

附录

在读期间的研究成果