本文關鍵詞： 激光器 Yb:YAG晶體 熱導率 熱效應　出處：《西安建筑科技大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：20世紀60年代,從此半導體泵浦的固體激光器誕生了[1]。早在1962年世界上第一支激光二極管問世后不久,美國MIT實驗室的Keyes等人就用它來作為固體激光的泵浦源,并且用實驗的方法獲得輸出了準連續(xù)激光束[1]。與傳統(tǒng)的固體激光器相比,激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器(DPSSL)有著自己獨特的特點,主要的表現(xiàn)是光光轉換效率很高,體積比較小,性能非常可靠、壽命長,光束質(zhì)量好等,被廣泛的應用于各個領域[2]。伴隨著全固態(tài)激光器應用領域的不斷發(fā)展,人們對激光的輸出功率和光束質(zhì)量的要求越來越高。伴隨著激光器輸出功率的大幅度提高,在激光晶體內(nèi)會產(chǎn)生嚴重的熱效應問題,熱效應會使激光系統(tǒng)的效率降低,光束質(zhì)量變差,甚至損壞激光晶體,特別是對于端面泵浦的固體激光器中,泵浦光通常被聚集在一個很小的光斑,從而光斑范圍內(nèi)的熱功率密度非常大,因此對于熱效應的研究非常重要。本文是在激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器的理論基礎上對Yb:YAG微片激光器的熱效應進行研究,在以往的研究中,人們往往將Yb:YAG激光晶體的熱導率視為常數(shù),而在本論文中作者通過對相關資料和文獻的查閱發(fā)現(xiàn),Yb:YAG晶體的熱導率是隨著溫度的變化而發(fā)生變化的,其熱膨脹系數(shù)也是隨著溫度變化的,這樣一來,其研究結果將更加的符合實際情況,本文將通過這兩個創(chuàng)新點對Yb:YAG微片晶體的熱效應展開研究,主要內(nèi)容為:1.回顧了激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器的發(fā)展歷史,介紹了全固態(tài)激光器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向以及研究熱點,介紹了激光二極管的泵浦方式,提出了減小熱效應的方法,并詳細闡述了Yb:YAG晶體的特點和工作特性。2.對激光二極管端面泵浦圓形和方形Yb:YAG微片激光器的熱效應展開研究,在研究中考慮到Yb:YAG晶體的熱導率隨著溫度變化的量,建立熱模型,構造初始和邊界條件,應用數(shù)理方程的知識對Yb:YAG晶體的溫度場就行計算,得到溫度場的一般解析表達式。利用Mathematic軟件進行模擬,分析泵浦功率,光斑半徑,超高斯階次,微片尺寸等因素對Yb:YAG微片激光器熱效應的影響分布圖。3.對脈沖激光二極管端面泵浦方形Yb:YAG微片激光器的熱效應展開研究,通過解熱傳導方程得到溫度解析表達式,定量分析了單脈沖泵浦過程中超高斯階次,泵浦功率,光斑半徑,脈寬等因素對Yb:YAG晶體瞬時溫度場的影響以及在非穩(wěn)態(tài)周期脈沖過程中與準熱平衡態(tài)時溫度場的變化規(guī)律。將此方法應用到其他激光器熱效應的研究中,為有效解決二極管泵浦過程中的熱效應問題提供了理論依據(jù)。
[Abstract]:In 1960s, the semiconductor pumped solid-state laser was born [1]. As early as 1962, shortly after the first laser diode came out, Keyes et al., from the MIT Laboratory of the United States, used it as the pump source of the solid-state laser. Compared with the conventional solid-state laser, the all-solid-state laser (DPSSL) pumped by laser diode has its own unique characteristics, and the main performance is that the optical conversion efficiency is very high. Small size, reliable performance, long lifetime, good beam quality and so on, have been widely used in various fields [2]. With the development of all solid-state laser applications, With the great improvement of laser output power, there will be serious thermal effect in laser crystal, and the thermal effect will degrade the efficiency of laser system. The beam quality becomes worse, and even destroys the laser crystal, especially in the end pumped solid-state laser, the pump light is usually gathered in a very small spot, so the thermal power density in the spot range is very large. Therefore, the study of thermal effect is very important. In this paper, the thermal effect of Yb:YAG microchip laser is studied based on the theory of all-solid-state laser pumped by laser diode. The thermal conductivity of Yb:YAG laser crystal is often regarded as a constant. In this paper, the author finds that the thermal conductivity of Yb: YAG crystal changes with the change of temperature. The coefficient of thermal expansion also changes with the temperature, so the results of the study will be more in line with the actual situation. In this paper, the thermal effects of Yb:YAG microcrystals will be studied through these two innovative points. The development history of all-solid-state laser pumped by laser diode is reviewed, the research status, development direction and research hotspot of all-solid-state laser at home and abroad are introduced, and the pumping mode of laser diode is introduced. The method of reducing thermal effect is proposed, and the characteristics and working characteristics of Yb:YAG crystal are described in detail. 2. The thermal effect of round and square Yb:YAG microchip laser pumped by laser diode is studied. Taking into account the variation of thermal conductivity with temperature of Yb:YAG crystal, the thermal model is established, the initial and boundary conditions are constructed, and the temperature field of Yb:YAG crystal is calculated by using the knowledge of mathematical equation. The general analytical expression of temperature field is obtained. The pump power, spot radius, order of exceeding Gao Si are analyzed by Mathematic software. Effect of microchip size on thermal effect of Yb:YAG microchip laser. 3. The thermal effect of a pulsed laser diode end-pumped square Yb:YAG microchip laser is studied, and the analytical expression of temperature is obtained by using the heat conduction equation. The order of super Gao Si, pump power and spot radius during monopulse pumping are quantitatively analyzed. The influence of pulse width and other factors on the instantaneous temperature field of Yb:YAG crystal and the variation of temperature field in the unsteady periodic pulse process and the quasi-thermal equilibrium state are studied. The method is applied to the study of the thermal effect of other lasers. It provides a theoretical basis for solving the thermal effect in diode pumping process.
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN248

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本文編號：1529148