高功率LD泵浦的内腔倍频Nd:YAG激光器研究

摘要

激光二极管泵浦的固体激光器(DPSSL,DPL)具有高效率、结构紧凑、工作稳定、寿命长和全固化等优点,在材料加工、军事、医疗、科研等领域已得到广泛应用,已经成为国际上新型固体激光器的发展热点,高功率全固态DPL正在成为主流激光器,高功率LD泵浦绿光激光器因其在材料加工、同位素分离等领域的潜在应用更是各发达国家致力研究的重点.该文围绕高功率、高重复频率全固态内腔倍频Nd:YAG激光器进行了系统的理论和实验研究,在泵浦电流为17.3A时,获得了重复频率为20.4kHz、脉宽为230ns、输出功率为82W的绿光,考虑功率计的修正系数1.04,实际获得了超过85W的532nm绿光输出,功率不稳定性小于±1.03％,光——光转换效率为9.7％.主要创新点可以概括如下:1、采用高功率双声光Q开关腔内同步调制技术,结合调整Q开关的偏转角度,有效地抑制了高泵浦功率下的腔内基波激光振荡,提高了腔内基波的峰值功率密度,为实现高的倍频转换效率奠定了基础.已经获得了功率85W的绿光稳定输出,国内领先,国际先进,输出模式为近高斯分布,质量很好.2、计算了KTP温度升高对倍频转换效率的影响以及温度升高时最佳相位匹配角的偏离.实验上采用旋转晶体、加强致冷、控制晶体内部光斑大小三种方法相结合,有效地控制了KTP晶体热效应的影响,增大了倍频效率,实现了大尺寸KTP倍频晶体在高功率条件下的稳定正常工作.3、采用传统平凹腔,分析了高泵浦功率下Nd:YAG棒热透镜效应和热致双折射效应的影响,得到了高功率激光器运行在第Ⅱ稳区并且基模体积受到限制的结论.根据计算和实验,选择合适的腔参数,在保证谐振腔稳定的前提下,增大了模体积,同时保证KTP上的基波光斑在一定泵浦功率变化范围内保持相对稳定,在单Nd:YAG棒的情况下获得了单端稳定输出85W的绿光功率,不稳定度为±1.03％.截止到目前,已经获得了超过90W的绿光输出,通过设计合适的谐振腔、采用优良的倍频晶体以及采取更有效的热效应控制措施,不久的将来一定可以实现百瓦级的绿光输出.

目录

文摘

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第一章激光二极管泵浦的固体激光器综述

1.1激光二极管泵浦固体激光器的发展综述

1.2激光二极管泵浦的固体激光器的主要特性

1.3激光二极管的泵浦耦合方式概述

1.4适合DPL的激光晶体及激光二极管

1.5 LD泵浦固体激光器的应用

1.6结论

第二章高功率全固态激光器激光晶体中的热效应研究

2.1大功率激光二极管泵浦组件的结构

2.2 Nd：YAG晶体的特性

2.3激光晶体中的温度分布及热效应

2.4热效应的消除及补偿

2.5 Nd：YAG热效应的测量及结果

2.6结论

第三章高功率全固态激光器的工作特性研究

3.1四能级系统的速率方程

3.2固体激光器连续工作特性

3.3固体激光器调Q运转特性

3.4 LD泵浦的固体激光器的实验研究

3.5结论

第四章高功率全固态激光器的谐振腔研究

4.1高功率激光谐振腔研究的新进展

4.2高功率谐振腔的分析计算

4.3实验结果和分析

4.4结论

第五章高功率全固态激光器中KTP倍频及其热效应研究

5.1三波互作用耦合波方程及解

5.2倍频过程的理论分析

5.3双轴晶体KTP的主要性能与相位匹配的理论分析

5.4 KTP晶体中的热效应分析

5.5实验结果及分析

5.6结论

第六章高功率全固态激光器水冷系统研制

6.1激光器冷却技术的现状

6.2水冷系统装置

6.3水冷系统的性能及分析

6.4结论

第七章高功率全固态绿光激光器的实验研究

7.1项目的背景及意义

7.2总体方案设计

7.3内腔倍频的理论分析

7.4技术分析与实验

7.5结论

第八章全文总结

参考文献

科研成果

附录一：科技查新报告

附录二：功率计测试证书

致谢