LD端面泵浦Nd:YAG激光器及固体激光位移传感技术研究

摘要

与传统的灯泵浦相比，激光二极管泵浦固体激光器（DPSSLs）具有高效、长寿命、全固化、热效应和体积小等优点。在众多的DPSSLs中，激光二极管（LD）端面泵浦Nd:YAG激光器在工业中起着重要的作用并得到了广泛的运用，这主要归因于Nd:YAG晶体具有良好的机械和光学特性，而且端面泵浦具有良好的模式匹配，能获得基横模激光输出。 本文首先介绍了LD泵浦Nd:YAG激光器的发展状况、主要特性及其应用，从四能级速率方程出发，推导了LD泵浦Nd:YAG激光器的阈值、输出功率和斜效率的表达式，并简述了激光器的工作原理、结构型式和倍频方法；其次，以空间相关的速率方程为基础，提出了LD端面泵浦Nd:YAG激光器的设计方法，给出了一定泵浦耦合方式下，振荡光模尺寸、最佳输出耦合率、泵浦光模尺寸、泵浦光焦斑位置等参数的选取依据，以此为依据，设计了自聚焦透镜耦合小功率LD泵浦Nd:YAG激光器和透镜组耦合高功率LD泵浦Nd:YAG激光器，对激光器的输出功率和功率稳定性等特性进行了实验研究；再次，在带尾纤输出的高功率LD泵浦Nd:YAG激光器谐振腔内插入一只空液晶盒，观察到了激光器以单纵模运转；最后，根据泵浦光焦斑纵向位置对激光输出功率的影响规律，提出了LD端面泵浦Nd:YAG激光位移传感新方法，并进行了理论和实验研究，研究结果表明：当激光晶体内泵浦光平均光斑半径远小于振荡光束腰半径时，激光输出功率的自然指数与泵浦光焦斑的纵向位置成高斯变化规律，测量范围和灵敏度依赖于泵浦功率，随着泵浦功率的增加，测量范围扩大，灵敏度提高，当端面泵浦功率为7.24W（最大输出功率为1.926W）时，激光位移传感器的测量范围和灵敏度分别是13.045mm和0.148mW/μm。