工业用大功率固体激光器技术研究

摘要

本文对工业用大功率固体激光器的光学系统技术进行了研究和探讨。详细分析了单元模块激光器中影响激光输出功率和光束质量的因素，多棒串接大功率固体激光器谐振腔的结构、稳区范围以及热焦距对稳区范围影响。介绍了单元模块激光器、多棒串接大功率固体激光器的实验研究结果和参数。 首先根据大功率Nd：YAG固体激光器应用的要求，通过对几种大功率灯泵浦 Nd：YAG激光器系统技术方案进行分析，给出了Nd：YAG激光器单元模块的具体设计方案；分析了千瓦级Nd：YAG激光的实现方法，给出了采用多棒串接对称平平腔结构实现大功率输出的技术方案。 对单元模块激光器的热效应进行了分析，理论计算结果表明在拟定的工作条件下，最大应力小于晶体的破坏阈值的75％，激光棒的应力不会超过晶体的破坏阈值，不会因应力引起激光棒炸裂；对聚光腔的聚光效率进行了分析，计算结果表明漫反射腔比双椭圆镜面聚光腔的传输效率低13％左右，在漫反射腔反射率大于97％时，综合考虑泵浦光在激光棒内尽可能均匀分布和聚光腔传输效率两方面，漫反射紧包腔有利；对漫反射紧包聚光腔泵浦光在激光棒内的分布进行了数值模拟，模拟结果和实验测量结果表明：对于掺杂浓度为0.8％的棒泵浦能分布基本上是很均匀的，对于掺杂浓度为1％的棒，棒中心泵浦能量密度比边缘低，模拟结果和实验测量结果吻合。 提出了一种利用激光器的临界工作点测量激光棒横向和切向热焦距的新方法，即利用平行平面谐振腔的临界稳定点是对增益介质的热透镜敏感的函数，通过监测激光输出功率，记录由于有效热焦距使谐振腔通过特殊临界稳定的点特性，可以确定有效热焦距。测量方法简单方便仅需一功率计，尤其适用于大功率激光器。 提出并研究了激光棒纵向浓度梯度对激光器性能的影响，实验结果表明棒的纵向浓度梯度小于0.3时，对发散角、输出功率以及光束质量的影响不大。 对激光器单元模块的最佳工作方式进行实验了研究。通过实验确定了单元模块激光器的最佳透过率、最稳定光学腔、冷却水温度等参数，得到最大输出功率为647W，对光束质量的测量结果为22mm*mrad，在正常工作即输出功率为500W左右时的不稳定度为2％。对双棒、三棒及四棒串接谐振腔的放置方式、稳区范围以及热焦距对稳区范围影响进行了研究。研究结果表明当两端Nd：YAG晶体棒主面到两腔镜的距离相等，各晶体棒主面间距离也相等，且等于Nd：YAG晶体棒主面到腔镜的距离的2倍时，随着泵浦功率的增加，热焦距f从∞→0.50d，当f<0.50d时，谐振腔工作曲线除经过几个临界点外都工作在稳定区。 对多棒串接的最佳工作方式进行实验了研究。采取调整泵浦功率的方法对多棒串接热焦距不匹配进行补偿，结论为：(1)实现双棒串接最大激光输出功率为1175W，总效率3.8％；当激光器输出为1030w时测量出光束质量为21 mm*mrad。(2)实现泵浦功率为48kW三棒串接最大激光输出功率为1820W，总效率3.8％；当激光器输出为1588W时光束质量为21 mm*mrad。(3)实现激光器输出功率达到2105W，总的电光转换效率为3.5％；在1980W功率输出时，运行6小时，功率起伏为36W，不稳定度小于2％。激光器输出为1856W时光束质量为24 mm*mrad。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2大功率激光器的应用

1.2.1大功率激光器在材料加工领域中的应用

1.2.2固体激光材料加工的优点及应用

1.3大功率固体激光器研究背景和现状

1.4本文的研究内容

第二章灯泵浦大功率Nd：YAG激光器系统

2.1大功率Nd：YAG激光器系统结构

2.1.1大功率Nd：YAG激光器的要求

2.1.2大功率Nd：YAG激光器系统结构的选择

2.2 Nd：YAG激光器单元模块结构

2.2.1Nd：YAG激光器的工作物质

2.2.2Nd：YAG激光器单元模块谐振腔

2.2.3 Nd：YAG激光器单元模块聚光腔

2.2.4Nd：YAG激光器单元模块泵浦源、冷却和滤光

2.3多棒串接Nd：YAG激光器结构

2.3.1高功率Nd：YAG激光器实现方法

2.3.2多棒串接放置结构的比较和选取

2.4本章小结

第三章激光器单元模块的理论计算与分析

3.1激光器单元模块的热效应分析

3.2激光棒的温度和应力分布

3.2.1激光棒的温度分布

3.2.2激光棒的热应力分布

3.3聚光腔的效率分析

3.3.1单椭圆腔的效率

3.3.2多椭圆腔效率

3.3.3传输效率的比较

3.4泵浦均匀性分析

3.5、激光器的输出功率和效率

3.5.1、输入电功率的阈值

3.5.2、输出功率和效率

3.6激光器的最佳透过率

3.7光学元件的损伤

3.8本章小结

第四章激光器单元模块的实验研究

4.1激光器单元模块热焦距的测量

4.1.1测量方法的理论分析

4.1.2实验测量与结果

4.2透过率的实验研究

4.3谐振腔腔长的确定

4.4冷却水温度对激光功率的影响

4.5浓度梯度对激光器性能的影响

4.6输入输出功率曲线

4.7光束质量的测量

4.8稳定性实验

4.9本章小结

第五章多棒串接Nd：YAG激光器的理论分析

5.1双棒串接激光器的理论分析

5.1.1对称和非对称放置方式

5.1.2双棒串接激光器稳区范围

5.1.3双棒串接对激光器模体积的影响

5.1.4热焦距对双棒串接谐振腔的稳区范围的影响

5.2三棒串接激光器的理论分析

5.2.1三棒串接对谐振腔稳区范围的影响

5.2.2热焦距对三棒串接谐振腔稳区范围的影响

5.3四棒串接激光器的理论分析

5.3.1四棒串接对谐振腔稳区范围的影响

5.3.2热焦距对四棒串接谐振腔稳区范围的影响

5.4热焦距不匹配的补偿方法

5.5本章小结

第六章多棒串接Nd：YAG激光器的实验研究

6.1双棒串接激光器的实验研究

6.1.1双棒串接激光器功率输出

6.1.2双棒串接激光器光束质量

6.2三棒串接激光器的实验研究

6.2.1三棒串接激光器功率输出

6.2.2三棒串接激光器的光束质量

6.3四棒串接激光器的实验研究

6.3.1四棒串接激光器功率输出

6.3.2四棒串接激光器的光束质量

6.4单棒与多棒串接激光器光束质量比较

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表论文和申请的专利

致谢