泵浦光在激光介质中的分布及腔匹配的研究

摘要

激光二极管泵浦的固态激光器(全固态激光器)以其结构紧凑、体积小、寿命长、效率高等一系列优点,近年来获得了迅猛发展。 本文介绍了全固态激光器的发展历程,不同泵浦方式和激光晶体的优缺点,阐述了全固态激光器设计的基本理论,其中速率方程理论中的交叠效率是优化激光器参数的理论依据。 由于全固态激光器的输出功率和输出激光质量与激光介质的增益分布相关联,本文采用光线追迹和光强矩阵的方法对侧面泵浦和端面泵浦条件下激光介质的增益分布特性进行了系统研究,并根据其增益分布的特点对谐振腔进行了设计和优化。 采用光线追迹和光强矩阵的方法对激光二极管线阵直接侧面泵浦条件下的增益分布进行了模拟计算,讨论了泵浦距离、吸收系数、镀反射膜、水冷装置、多个LD Bar等间距均匀环绕泵浦等系统参数对增益分布的影响。提出了使用泵浦光与振荡光的交叠效率来定量评价泵浦结构参数设计,得出了激光二极管线阵越靠近激光介质越好的结论。为了进一步提高泵浦光与谐振腔振荡光基模的交叠效率,设计了微柱透镜将泵浦光的发散角压缩到6°,交叠效率提高到24.5％。在对侧面泵浦平凹腔的优化设计中发现增加腔长和凹面镜的曲率半径可以提高泵浦光与腔基模的交叠效率。 采用同样的方法首次模拟了光纤耦合的圆对称泵浦光单端面、双端面泵浦Nd:YVO4激光晶体块内部的增益分布和泵浦光光斑变化曲线。根据激光介质内泵浦光光斑的变化曲线,设计了单端、双端泵浦的谐振腔分别为腔长8 cm、凹面镜的曲率半径为2 m的平凹腔和腔长18cm、凹面镜的曲率半径为2m的对称双凹腔。在此基础上,计算了单端面、双端面泵浦光与谐振腔振荡光基模的交叠效率,分别为77.5％和82.8％。 通过比较侧面泵浦、端面泵浦激光器的交叠效率,得出了端面泵浦激光介质内泵浦光与谐振腔振荡光基模的交叠效率好于侧面泵浦的结论。

目录

文摘

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第一章 绪论

第一节全固态激光器概述

1.1.1全固态激光器的发展历史

1.1.2全固态激光器的优秀特性

第二节全固态激光器的光泵浦系统

1.2.1 全固态激光器的泵浦源LD和LDA

1.2.2全固态激光器的泵浦方式

第三节全固态激光器的激光晶体

1.3.1 掺杂稀土离子的激光晶体

1.3.2 掺杂过渡金属离子的激光晶体

第四节本章小结

第二章全固态激光器设计中的基础理论

第一节激光二极管发射光束的空间分布特性

第二节全固态激光器的速率方程理论

2.2.1速率方程理论

2.2.2阈值泵浦功率

2.2.3交叠效率

第三节全固态激光器的光学谐振腔理论

2.3.1基模高斯光束的光强分布

2.3.2基模远场发散角

2.3.3谐振腔的模体积

第四节本章小结

第三章侧面泵浦激光介质的增益分布及其优化

第一节棒状激光介质的增益分布特性

3.1.1单个LD Bar直接侧面泵浦模型

3.1.2多个LD Bar直接侧面泵浦模型

3.1.3水冷情况下的泵浦功率分布

第二节板条激光介质的增益分布特性

第三节侧面泵浦激光器参数的优化

3.3.1利用柱透镜压缩泵浦光的发散角

3.3.2谐振腔的设计与优化

第四节本章小结

第四章 端面泵浦激光器的增益分布及谐振腔设计

第一节单端泵浦Nd：YVO4的增益分布及谐振腔设计

4.1.1单端面泵浦轴向纵切面的增益分布

4.1.2单端面泵浦谐振腔参数设计

第二节双端泵浦Nd：YVO4的增益分布及谐振腔设计

4.2.1双端面泵浦轴向纵切面的增益分布

4.2.2双端面泵浦谐振腔参数设计

第三节本章小结

第五章总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

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