LD侧面泵浦多晶Nd：YAG陶瓷BBO电光调Q窄脉宽绿光、紫外光激光器研究

摘要

将半导体激光阵列侧面泵浦增益介质技术、非线性频率转换技术、调Q技术结合起来的新型全固态激光器可以实现高功率、高重复率、窄脉冲宽度、波长范围从中远红外—可见光—深紫外的高质量脉冲激光输出，并且与气体、液体、化学、自由电子等传统激光器相比，具有结构紧凑、能量转换效率高、可靠性高、重量轻、光束质量好等优点，因此一直处于激光科学技术研究的前沿，并已广泛应用于工业精密加工、医疗卫生、激光通信、激光雷达、激光测距、热核反应等诸多领域。
　　 为获得高重复频率、高峰值功率、窄脉冲宽度的532nm绿激光和高单脉冲能量、高峰值功率、窄脉冲宽度的355nm和频紫外激光及266nm四倍频紫外激光，本论文进行如下相关理论和实验研究：
　　 1.对LD多向侧面泵浦多晶Nd：YAG陶瓷棒中的泵浦光强度分布情况进行模拟。以LD五向泵浦为例，数值模拟了不同激光陶瓷棒半径、不同吸收系数及不同泵浦光会聚光斑半径条件下LD泵浦光在陶瓷棒内分布均匀性的变化规律和激光陶瓷棒内部的温度分布情况；利用矩阵对连续LD侧面泵浦的Nd：YAG陶瓷的热透镜焦距进行了推导，计算出了不同泵浦功率下多晶Nd：YAG陶瓷棒的热透镜焦距；设计了一种测量LD侧面泵浦的激光陶瓷棒的热透镜焦距的简单方法。
　　 2.从电光调Q速率方程出发，建立了电光调Q激光输出特性变量模型；针对电光晶体的温度场分布和热应力分布建立了热传导理论模型和热弹性力学模型；采用有限元分析法，通过对KD*P、LiNbO3、BBO和RTP四种常用的的温度分布和热应力分布进行模拟和分析，选择BBO电光晶体用于本论文实验研究。
　　 3.基于折射率方程，对KTP和LBO两种晶体倍频1064nm基频光产生532nm绿光的相位匹配曲线、有效非线性倍频系数、走离角的空间分布特性进行了数值模拟和理论分析，获得了Ⅰ类、Ⅱ类角度相位匹配的KTP晶体和LBO晶体的最佳相位匹配方向(最佳相位匹配角)、有效非线性倍频光学系数和沿最佳相位匹配方向上的走离角，并通过对比分析，选择LBO晶体用于本论文倍频实验研究。
　　 4.完成了连续LD侧面泵浦Nd:YAG陶瓷/BBO电光调Q/LBO腔内倍频的高重复率、高功率、窄脉宽绿光激光器实验研究。从V型折叠谐振腔的像散问题的理论分析入手，利用谐振腔结构设计软件对V型谐振腔进行了像散补偿、稳定性的结构优化设计；其次采用模拟设计出的谐振腔结构参数，在电光调Q最佳重复率为10.2kHz时，获得了最大平均功率为32.6W、最窄脉冲宽度为58.5ns的s线偏振的准连续绿激光输出。
　　 5.完成了脉冲LD侧面泵浦Nd:YAG陶瓷/BBO电光调Q/LBO腔外倍频高能量、高峰值功率、窄脉宽紫外激光器实验研究。①当LD泵浦电流为120A、重复率为1Hz时，获得了最大单脉冲能量为23.4mJ，最短脉冲宽度为5.25ns、最高峰值功率为4.46MW的355nm窄脉宽紫外激光输出；在重复率为20Hz时，355nm紫外脉冲激光的最高平均功率达到245.6mW、脉冲宽度11.2ns、最高峰值功率达到1.1MW，并利用分光镜，同时获得了663.6mW的1064nm脉冲红外光和335.5mW的532nm脉冲绿激光输出。②在此基础上，将和频晶体更换为Ⅰ类BBO四倍频晶体，当LD泵浦电流为120A、重复率为1Hz时，获得了最大单脉冲能量为18.4mJ，最短脉冲宽度为4.66ns、最高峰值功率为3.95MW的266nm窄脉宽紫外激光输出；在重复率为20Hz时，266nm紫外脉冲激光的最高平均功率达到185.5mW、脉冲宽度10.1ns、最高峰值功率达到0.92MW，同样利用分光镜，获得了820.2mW1064nm脉冲红外光和384.5mW的532nm脉冲绿激光输出。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1全固态窄脉宽脉冲激光器综述

1.1.1脉冲激光产生的技术背景

1.1.2主要的调Q技术

1.2调Q脉冲全固态激光器的应用现状

1.3调Q脉冲全固态激光器国内外发展现状

1.3.1全固态调Q近红外脉冲激光器国内外发展现状

1.3.2全固态调Q脉冲绿光激光器国内外发展现状

1.3.3全固态调Q脉冲红光激光器国内外发展现状

1.3.4全固态调Q脉冲紫外激光器国内外发展现状

1.4适合高功率、高重频，高峰值功率工作的激光增益介质

1.4.1常见的激光增益介质的特点分析

1.4.2激光增益介质的比较分析结论

1.5本论文的主要工作

第二章LD侧面泵浦Nd：YAG激光器的热效应理论研究

2.1侧面泵浦的LD光强分布理论研究

2.1.1单方向的LD侧面泵浦光的光强分布理论研究

2.1.2多方向LD侧面泵浦光的光强分布理论研究

2.1.3 LD侧面泵浦激光陶瓷棒内的温度分布研究

2.2 LD侧面泵浦激光陶瓷棒热透镜效应研究

2.2.1光弹效应

2.2.2折射率梯度

2.2.3端面形变

2.2.4热透镜效应

2.3热透镜焦距的理论计算

2.4热透镜焦距的实验测量

2.5热效应的消除及补偿

2.6本章小结

第三章电光调Q技术理论分析及研究

3.1电光调Q激光器的理论分析

3.1.1电光调Q技术基本原理

3.1.2电光调Q速率方程分析

3.1.3电光调Q激光脉冲输出特性分析

3.2电光晶体热力学特性分析

3.2.1适合窄脉宽调制的电光晶体

3.2.2常用电光晶体的热力学特性分析

3.2.3适合高重复频率调制的电光晶体分析比较结论

3.3本章小结

第四章非线性光学倍频理论及倍频晶体特性分析

4.1非线性光学倍频理论分析

4.1.1三波相互作用基本理论分析

4.1.2相位匹配基本理论分析

4.2常用大功率绿光倍频晶体

4.2.1 LBO晶体的物理及光学特性

4.2.2 KTP晶体的物理及光学特性

4.3 LBO和KTP晶体的倍频相位匹配特性参量理论分析

4.3.1 LBO和KTP晶体的倍频相位匹配曲线

4.3.2 LBO和KTP晶体的倍频有效非线性系数和最佳相位匹配角

4.3.3 LBO和KTP晶体倍频过程的走离角

4.4本章小结

第五章连续LD侧面泵浦Nd：YAG陶瓷／BBO电光调Q／LBO腔内倍频的高重复率、高功率、窄脉宽绿光激光器实验研究

5.1多晶Nd：YAG陶瓷增益介质

5.2多晶Nd：YAG陶瓷棒的热透镜焦距实验测量

5.3谐振腔的设计与光学元件的选择

5.3.1谐振腔腔型选择

5.3.2光学元件选择

5.3.3折叠谐振腔像散补偿

5.3.4实验研究、结果及讨论

5.4本章小结

第六章脉冲LD侧面泵浦Nd：YAG陶瓷／BBO电光调Q／LBO腔外倍频高能量、高峰值功率、窄脉宽紫外激光器实验研究

6.1 355nm全固态紫外脉冲激光器实验研究

6.1.1实验装置

6.1.2实验研究、结果及讨论

6.2 266nm全固态紫外脉冲激光器实验研究

6.2.1实验装置

6.2.2实验研究、结果及讨论

6.3本章小结

工作总结与展望

一、工作总结

1.本论文的总体研究目标

2.本论文的主要研究内容与成果

二、今后的工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果

致谢