大功率、高亮度全固态绿光激光器及紫外激光器研究

摘要

全固态激光器(DPL)因为具有热效应小、效率高、器件结构紧凑、能获得高功率和高光束质量输出等优点,而成为固体激光器一个富有生命力的发展方向,倍受青睐.输出功率大于1OOW,甚至达到1000W,M<'2>接近1的大功率、高亮度全固态激光器在工业材料加工、战术军用和惯性约束聚变等方面展示出广阔的应用前景,更是当前全固态激光器研究的前沿课题.全固态激光器技术结合非线性光学频率变换技术是目前最有前途的紫外光源获得方案.该论文主要进行了以下两个方面的工作:(1)对获得大功率、高亮度激光输出的常用的基模动态稳定腔(DSRs)技术,最近发展出来的三镜或四镜DSRs技术以及双棒串接腔技术(插入90°偏振旋光片补偿热致双折射)技术进行了解析分析和图解分析.尤其是首次采用图解法分析了当两个泵浦组件具有稍微不同的热效应时,双棒串接谐振腔及插入90°偏振旋光器补偿热致双折射的双棒串接谐振腔的稳定性和模式特性与理想情况的差异,揭示了双棒的不同热透镜焦距对双棒串接腔的巨大影响,并在通过实验获得证实.在实验中我们采用两个CEO公司的150W(1064nm)LD泵浦组件,使用对称双棒串接腔获得了265.4W的激光输出,电光转换效率约为10.3％.(2)对比分析了在高功率、高重复频率全固态绿光激光器中采用按常温匹配角切割KTP晶体和按高温匹配角切割KTP晶体的优缺点,在实验中采用80℃切割Ⅱ类相位匹配的KTP晶体(θ=90°,φ=24.8°),以CEO公司的1600W(808nm)LD泵浦组件作为泵浦源,利用高效率凹平谐振腔,在泵浦电流为17.7A时获得了高达110w的532nm绿光输出,这是目前国内最高水平.808nm-532nm的转换效率约为10％,电光转换效率约为4.6％,声光Q开关的重复频率为10.6kHz,脉冲宽度为142ns.在连续运转10分钟内,输出功率的波动极小,稳定性优于99％.在对高功率、高重复频率内腔倍频绿光激光器的谐振腔的理论分析中,将高平均功率运转条件下KTP晶体的热效应等效为薄透镜.采用图解分析方法,证明了高平均功率运转条件下KTP晶体的热效应会对谐振腔的稳定性和腔内激光模式产生极大的影响,说明了考虑其热透镜效应的重要性,并能够与实验很好的吻合.在高功率、高重复频率绿光激光器的基础上,采用Ⅰ类相位匹配(θ=47.6°)的BBO倍频晶体,实验中测得了266nm激光光谱,但由于缺乏有效的分光措施无法测得输出功率.

目录

文摘

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第一章概述

1.1全固态激光器的发展历史

1.2大功率、高亮度谐振腔设计的发展历程

1.2.1基模动态稳定腔

1.2.2双棒(多棒)串接腔

1.2.3主动振荡—功率放大(MOPA)系统

1.3全固态紫外激光器的发展状况

第二章大功率、高亮度谐振腔研究

2.1固体激光介质中的热效应

2.1.1连续侧面泵浦激光棒的热效应

2.1.2热效应的消除及补偿

2.1.3类透镜介质对激光束的变换作用

2.2光学谐振腔模的基本理论

2.3基模动态稳定腔研究

2.3.1基模动态稳定腔的基本原理

2.3.2基模动态稳定腔的失调灵敏度

2.3.3基模动态稳定腔的设计准则

2.4紧凑、灵活的四镜基模动态稳定腔研究

2.4.1四镜基模动态稳定腔的基本理论

2.4.2四镜DSRs的特例：三镜DSRs

2.5双棒串接腔和热致双折射补偿腔研究

2.5.1双棒串接腔

2.5.2热致应力双折射补偿技术

2.6谐振腔的图解分析方法

2.6.1谐振腔的图解方法的基本原理

2.6.2基模动态稳定腔的图解分析

2.6.3四镜紧凑基模动态稳定腔的图解分析

2.6.4双棒串接腔及热致双折射补偿腔

2.7本章小结

第三章大功率、高亮度谐振腔实验研究

3.1基模动态稳定腔实验

3.2双棒串接腔实验

3.3双棒串接腔+90°旋光器补偿热致双折射实验

3.4本章小结

第四章二倍频、四倍频理论研究

4.1三波互作用耦合波方程及解

4.2倍频过程的理论分析

4.2.1光学倍频的稳态小信号解

4.2.2 Ⅱ类相位匹配正交耦合倍频的平面波小信号解

4.2.3 Ⅰ类相位匹配聚焦高斯光束大信号倍频解

4.3双轴晶体KTP的主要性能与相位匹配曲线

4.4单轴晶体BBO的主要性能与相位匹配的理论分析

4.5本章小节

第五章全固态绿光激光器、紫外激光器实验研究

5.1高功率、高重复频率全固态绿光激光器的实验研究

5.2全固态紫外激光器实验研究

5.3本章小节

参考文献

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致谢