固体激光介质对泵浦光的吸收理论与Cr：YAG调QNd：YVO激光器实验及耦合系统分析

摘要

激光二极管泵浦代替灯泵浦是固态激光器发展的历史选择，一是因为激光二极管泵浦的固体激光器比灯泵浦的固体激光器有更高的效率和更好的频率稳定性且线宽变窄；二是相对于直接使用激光二激管本身，激光二极管泵浦的固体激光器线宽窄、峰值功率高、亮度高等优点。 本文从固体激光器的发展历史出发，阐述了二极管泵浦的全固化激光器在激光器领域中重要地位的形成及发展趋势，对其存在的问题及解决这些问题已有的做法也作了简单的总结。本文还在如下几个方面作了新探索。 1.激光晶体对泵浦光的吸收亦即泵浦光在激光介质中的变化。 迄今为止，人们一直使用比尔公式(I=I0e-βL，β为吸收系数，L为光在激光介质中的传输距离，I0为入射光强，I为L处光强)来计算固体激光介质中抽运光强度的变化。但是本文认为比尔公式存在一个应用范围，即入射光强I0较小时此公式才适用。本文从激光介质中能量传输和能级跃迁速率方程出发，在一定的近似条件下，给出了抽运光强度变化的解析解。结果表明，在一定传输距离范围内，随着抽运光能量密度的增大，增益介质对抽运光的吸收规律逐渐由指数函数变为近似线性函数。把这个理论应用于具体激光晶体，给出了泵浦光在激光晶体中随传输距离指数变化、线性变化范围以及介于这两者之间的泵浦光的变化规律。论文第二章介绍了这方面的工作。 2.全固化激光器中激光晶体与泵浦光的耦合尤其是大尺寸激光二极管阵列的光耦合是高效全固化激光器的关键问题。本文根据激光二极管的发光特性，分析了由微柱透镜阵列和透镜导管组成的耦合系统。较之前人的分析，本文给出了详细的数学处理过程，结合此数学处理方法用Matlab编制了一整套程序，包括模拟光线在耦合器件中的传输过程程序、光束通过耦合器件后光强在垂直光传输方向上光强分布程序及光耦合效率程序。其中对于透镜导管的模拟结果得到了与前人不同的结论，即光束经过透镜导管后随着离透镜导管出口越来越远光斑分裂。而这之前一直认为透镜导管出口后的光强是准高斯分布。本论文分析结果可以指导正确的使用透镜导管，即激光晶体尽量接近透镜导管出口处。 通过光线在透镜导管中传输的模拟，可以优化透镜导管入射面曲率半径、导管长度和出口尺寸。但是这三个方面同时优化具有很大难度，这三个量的比值为多少最优目前还没有定论，这也是以后要做的工作。这些内容包含在第三章中。3.对LDA端泵浦被动调QNd：YVO4激光器进行了研究。 本实验室首次用掺杂浓度0.27at％，通光长度为8mm的Nd：YVO4晶体作为增益介质。低掺杂浓度及晶体通光长度的增加可以有效的减小Nd：YVO4晶体的热透镜效应，从而增加泵浦功率。本实验中没有出现热透镜效应。 在实验室现有条件下，用初始透过率TCr=86.5％Cr4+：YAG，注入泵浦功率为500W，输出反射镜反射率为80％，泵浦脉冲电源的重复频率固定在20Hz,泵浦脉宽固定为100μs,腔长固定为8cm，得到了脉冲能量为2mJ,脉冲宽度为21ns的被动调Q红外光输出。 分析了腔长、泵浦能量、Cr4+：YAG的初始透过率、输出镜透过率等因素对输出脉冲的影响。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2历史回顾

1.3激光二极管泵浦的固体激光器与其它激光装置比较

1.4输出波长的多样性

1.5总结

参考文献

第二章泵浦光在固体激光介质中的变化规律

2.1引言

2.2泵浦光在三能级固体激光介质中的变化规律

2.3泵浦光在四能级固体激光介质中的变化规律

2.4长脉冲抽运时抽运光在三能级固体激光介质中变化规律的另一种推导方法

2.5长脉冲抽运时抽运光在四能级固体激光介质中变化规律的另一种推导方法

2.6结论

2.7以上公式的使用范围

参考文献

第三章实验装置中耦合系统分析

3.1 LDA端泵浦Cr4+：YAG被动调QNd：YVO4激光器的实验装置总体结构

3.2微柱透镜阵列耦合效果分析

3.3透镜导管耦合效果分析

参考文献

第四章被动调Q激光器的理论分析与实验结果

4.1 Cr4+：YAG晶体的饱和吸收特性

4.2 Cr4+：YAG被动调Q速率方程

4.3实验装置

4.4实验过程及结果

参考文献

论文总结

攻读博士学位期间发表的论文

致谢