高功率LD侧泵准连续腔内倍频全固体绿光激光器研究

摘要

全固体激光具有能量高、寿命长、方向性好、单色性和相干性强等特点，己成为国际激光产业新的开发及应用热点。本论文以“LD侧面泵浦腔内倍频全固态准连续绿光激光器”为研究中心，对激光工作物质内增益分布特性、温度分布特性、热透镜效应、热致双折射效应的原理及特点进行了研究；研究了大功率全固体激光谐振腔的动态特性；对采用内腔倍频方式工作的“LD侧面泵浦双棒串接腔内倍频全固态准连续185w绿光激光器”进行了系统的实验研究，并对其实现产品化进行了理论分析和实验研究。论文工作的主要成果如下： 1、回顾了全固态激光器的发展过程，综述了国内外绿光激光器的研究进展。 2、为发展大功率全固体绿光激光器，这里回顾了全固体激光器的理论基础。基于速率方程理论，对于侧面泵浦腔内m个横模振荡的稳态方程进行了研究；通过对激光二极管泵浦的全固态主动调Q脉冲激光器速率方程的分析，讨论了影响脉冲激光器输出能量、峰值功率、脉冲宽度及波形的因素。介绍了声光调Q原理及器件的基本结构。利用非线性光学耦合波方程，讨论了非线性晶体受基波辐射极化产生二次谐波以及和频产生的机理。分析了影响激光器倍频效率的主要因素。 3、分析了侧面泵浦激光介质中的温度分布，研究了引起热透镜效应的几种因素，给出了大功率泵浦条件下的热透镜焦距随泵浦电流的变化趋势。研究了固体激光棒中的热应力分布，应力双折射的起因及其补偿方案。针对实验目标和实验条件，研究了适于大功率运行的激光谐振腔结构及其稳定性，讨论了双棒串接V型折叠腔的像散及其控制问题。 4、从理论上研究了腔内倍频非线性晶体的热效应。利用ABCD传输矩阵，在模式匹配以及像散补偿的原则下，对于折叠腔的动态特性以及像散因素进行了分析。通过优化谐振腔参数，使谐振腔具有热透镜不敏性，有效地控制了折叠腔具有的像散。针对实验目标和实验条件，选用声光调Q开关，采用II类临界相位匹配HGTR-KTP腔内倍频，在实验中得到平均功率达96W的脉冲绿光输出，测量了绿光输出的波形及脉冲宽度。 5、采用传输矩阵从理论上研究了具有双热透镜的V型固体激光腔。分析了谐振腔在高功率运行时的动态特性，设计了一个能够稳定工作于更宽泵浦电流范围内的谐振腔。实验中采用两个LD侧面泵浦模块、Ⅱ类临界相位匹配HGTR-KTP晶体腔内倍频、双声光调Q技术，在两个半导体模块泵浦电流均为21.6A时，获得了185.21W准连续绿光激光输出，2小时内输出不稳定度小于2.55％。 对所开发的大功率绿激光的进行了实际应用研究，通过单光纤耦合输出技术，采用高损伤阈值单芯光纤激光耦合输出模块，引导光纤输出绿光激光平均功率高于120W，对动物组织进行了试验，为在相关领域中开发医用激光技术打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 LD泵浦全固态激光器进展

1.2 LD泵浦全固态准连续绿光激光器进展

第二章 LD侧面泵浦全固态激光器理论基础

2.1固体激光器理论

2.1.1掺Nd3+离子激光晶体的能级结构及参数

2.1.2四能级激光系统速率方程理论

2.2调Q原理与技术

2.2.1激光器的调Q速率方程

2.2.2声光调制原理及器件

2.2.3声光调Q动态特性与激光器各参量的关系

2.3非线性光学二次谐波产生理论

2.3.1非线性光学效应及非线性光学耦合波方程

2.3.2二次谐波的产生以及倍频效率

2.4本章小节

第三章 LD泵浦全固态激光器谐振腔设计

3.1 LD泵浦激光晶体热透镜效应研究

3.1.1泵浦能量及热源分布

3.1.2热模型泊松方程及边界条件

3.1.3温度分布

3.1.4温度梯度引起的折射率的变化

3.1.5热应力引起的折射率的变化

3.1.6热透镜系数

3.1.7端面效应对热焦距的影响

3.1.8总的热透镜焦距

3.2 LD泵浦激光晶体热致双折射效应的研究

3.2.1热致双折射的形成机制

3.2.2热致双折射的补偿方法

3.3激光谐振腔特性

3.3.1光学谐振腔的模参数

3.3.2折叠腔的光束传输特性及稳定性条件分析

3.3.3折叠腔的像散分析

3.3.4双棒串接折叠腔稳定性分析与像散控制

3.4本章小结

第四章 LD侧面泵浦腔内倍频全固态准连续绿光激光器研究

4.1非线性晶体的物理以及光学特性

4.1.1非线性晶体KTP的物理以及光学特性

4.1.2非线性晶体LBO的物理以及光学特性

4.2腔内倍频非线性晶体热效应的研究

4.2.1圆柱形非线性晶体温度场分析

4.2.2圆形LBO倍频晶体内的温度分布

4.2.3腔内倍频方形晶体热效应的研究

4.2.4腔内倍频HIGH-KTP晶体温度场分析

4.2.5偏心辐射方形非线性晶体温度场

4.3单模块LD侧面泵浦全固态大功率Nd：YAG/KTP准连续绿光激光器研究

4.3.1高功率准连续绿光激光器的泵浦方式和调Q方式

4.3.2谐振腔设计及分析

4.3.3实验装置

4.3.4实验结果

4.4本章小结

第五章 LD侧泵双棒串接腔内倍频全固态准连续185W绿光激光器研究

5.1双棒串接V型固体激光腔的动态特性研究

5.1.1双棒串接腔的稳定性分析

5.1.2不同腔参数的比较

5.2全固态准连续185W绿光激光器实验研究

5.2.1实验装置

5.2.2实验结果

5.2.3结论

5.3医用光纤耦合高功率绿光激光器对动物组织的实验研究

5.3.1绿光激光器医疗概述

5.3.2医用光纤耦合高功率激光器的研究意义

5.3.3绿光医疗原理及动物组织实验

5.4本章小结

第六章总结与展望

参考文献

博士期间发表论文、专利及获奖情况

致谢