光泵碱金属蒸气激光的模拟和热效应分析

摘要

光泵碱金属蒸气激光是近几年有着较快发展的新型激光器件,兼有固体激光和气体激光的优点,具有量子效率高、增益介质(气体)光学性能好和线宽窄(几MHz)等特点,有望获得具有高光束质量的高效高功率近红外激光输出。这类激光在激光冷却、定向能量传输、材料处理和大气传输等方面有广泛的应用前景。近年来,有关研究小组对该类激光展开了持续的研究,获得了一些很好的实验结果,然而,只有少量文献对这类激光进行了动力学过程分析和计算模拟,它的机理和动力学过程仍需探究。
　　 我们在深入分析和理解光泵碱金属蒸气激光的机理和技术路线的基础上,以光泵Cs蒸气激光为例建立了一个物理模型描述了该类激光中的各种微观动力学机制和激光发射过程。综合考虑泵浦光、吸收和辐射跃迁等作用机制,经数值求解该模型,定量分析了各工作参量与激光输出特性间的关系,得到了一组最佳工作参量配比,认为压缩泵浦光线宽和增加泵浦光功率等有利于提高激光功率和效率的提高,为该类激光系统的优化设计提供了理论指导。
　　 半导体激光抽运的碱金属蒸气激光(Diode Pumped Alkali lasers-DPALs)虽然具有量子效率高、光束质量好和较高的输出功率和效率等特点,但在高功率泵浦时也存在影响激光输出特性的热效应问题。为此,我们对DPAL内的热效应和基于DPAL的MOPA功率放大系统的设计分别做了讨论,进一步搭建了一个二极管泵浦Cs蒸气激光的热传导模型,通过模拟分别讨论了双端泵浦和单端泵浦中纵向和横向温度分布的情况,分析了泵浦光束腰、功率等因素对温度场分布的影响,得到了双端比单端泵浦更能消除热效应等的结论。
　　 基于DPAL的MOPA系统是一种既可以链式放大功率又可以通过多个增益池来减少热效应的设计,结合文献报道的光泵Rb蒸气激光的MOPA系统,我们建立了一个物理模型描述了该激光系统的各种动力学过程,根据实验参数进一步数值求解该模型,获得了与实验基本一致的模拟结果,表明该模型较真实地反映了光泵Rb激光MOPA系统的主要动力学过程和激光放大机制,为该系统的优化设计奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 引言

1.1 简述

1.2 光泵碱金属蒸气激光的研究进展

1.3 本论文的研究意义和主要内容

第二章 光泵碱金属蒸气激光的原理和技术线路

2.1 光泵碱金属蒸气激光简介

2.2 激光出光过程

2.3 光泵碱金属蒸气激光的应用

2.4 动力学模型和速率方程

2.5 光泵碱金属蒸气激光的评价指标

2.5.1 光-光转换效率

2.5.2 斜率效率

2.6 影响出光的各种因素

2.6.1 线宽匹配序影响

2.6.2 模式匹配厅影响

2.6.3 缓冲气压厅影响

2.7 相关实验方案介绍

2.7.1 纵向泵浦的稳定腔设计.

2.7.2 纵向泵浦的菲稳定腔设计

2.7.3 横向泵浦的稳定腔设计

2.7.4 横向泵浦的非稳定腔设计

2.7.5 其他设计方案

第三章 光泵碱金属蒸气激光的动力学模型

3.1 模型验证以及输出镜反射率的影响

3.2 泵浦光线宽的影响

3.3 缓冲气压的影响

3.4 泵浦光功率的影响

3.5 小结

第四章 DPAL中的热效应分析

4.1 DPAL热效应理论和模型

4.1.1 熟量传递的主要方式

4.1.2 DPAL热效应模型

4.2 模拟结果和分析

4.2.1 整体温度分布

4.2.2 功率变化对温度的影响

4.2.3 束腰变化对温度的影响

4.2.4 吸收率变化对温度的影响

4.3 小结

4.3 小结

第五章 .基于DPAL的MOPA系统

5.1 MOPA系统简介

5.2 基于DPAL的MOPA系统设计

5.3 基于DPAL的MOPA计算模型和结果

5.4 小结

第六章 结论与展望

参考文献

作者简历