【摘要】：隨著激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用,目前研究人員一直在高功率以及高能量激光方面尋求突破。平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)結(jié)合了片狀介質(zhì)和光纖的優(yōu)點(diǎn)。平面波導(dǎo)具有板條激光的高輸出功率和高散熱效率,同時(shí)也具有光纖激光高能量轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn),而且它的體積非常小,能夠?qū)崿F(xiàn)激光系統(tǒng)小型輕量化,克服了目前高能全固態(tài)激光面臨的熱效應(yīng)嚴(yán)重、效率偏低、體積龐大等問(wèn)題,近年來(lái)是高能、高功率全固態(tài)激光的主要發(fā)展方向之一本課題是基于中國(guó)工程物理研究院高能激光科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題《高能固體激光效率提升技術(shù)研究》,以平面波導(dǎo)激光器為研究對(duì)象,針對(duì)固體激光器的激光增益材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),旨在探索平面波導(dǎo)激光高效率、高亮度的性能研究,開(kāi)展平面波導(dǎo)激光放大技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容包括：1.介紹了平面波導(dǎo)激光器的進(jìn)展,涵蓋了平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,工作波段的發(fā)展,以及國(guó)內(nèi)外高功率平面波導(dǎo)激光器的發(fā)展情況。指出與其他高功率、高能量固態(tài)激光器相比,平面波導(dǎo)激光器在泵浦耦合、散熱等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),進(jìn)而提出本課題的目的意義。2.提出了平面波導(dǎo)光波導(dǎo)理論基礎(chǔ)和激光理論基礎(chǔ)。其中光波導(dǎo)理論包括,從幾何和波動(dòng)光學(xué)的角度,分析了波導(dǎo)內(nèi)光線傳播方式,以及不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光波模式(TE模和TM模)的影響；激光理論包括速率方程和增益的計(jì)算分析,進(jìn)而得到不同設(shè)計(jì)下,平面波導(dǎo)激光器理論上可以獲得的輸出功率大小。3.建立了端面泵浦平面波導(dǎo)激光介質(zhì)的熱效應(yīng)分析模型。通過(guò)熱傳導(dǎo)方程計(jì)算得出了介質(zhì)內(nèi)部溫度分布和應(yīng)力分布情況。通過(guò)改變波導(dǎo)芯區(qū)及整體厚度,分析不同芯區(qū)厚度,波導(dǎo)厚度對(duì)泵浦功率極限值的影響。計(jì)算分析表明,波導(dǎo)厚度和芯層厚度越厚,波導(dǎo)能承受的功率密度越低。最后,用有限元專業(yè)軟件數(shù)值給出模擬仿真結(jié)果,并與解析結(jié)果比較確定其可靠性,確保實(shí)驗(yàn)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。4.開(kāi)展了高功率平面波導(dǎo)激光放大實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。采取平面波導(dǎo)端面切角措施,有效解決了自發(fā)輻射放大(ASE)和寄生振蕩(PO);在準(zhǔn)連續(xù)工作機(jī)制下,注入種子光82.2 mJ,獲得了327 mJ的放大輸出,是目前國(guó)際上,采用非水基流延成型和固相反應(yīng)燒結(jié)工藝制備的,YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導(dǎo)激光放大器獲得的最大輸出。在連續(xù)工作機(jī)制下,在注入種子光功率為250 W,泵浦功率940.6 W時(shí)最大獲得了537 W的放大輸出,是國(guó)內(nèi)采用Nd:YAG平面波導(dǎo)獲得的最大功率輸出。具體包括：方案設(shè)計(jì)包含：根據(jù)波導(dǎo)尺寸,設(shè)計(jì)耦合系統(tǒng)元件的參數(shù),并理論分析不同入射角度對(duì)泵浦吸收效率的影響,選取最佳入射角度。平面波導(dǎo)其具有高儲(chǔ)能密度,因此需要高亮度的種子光來(lái)抑制放大過(guò)程中的ASE和寄生振蕩效應(yīng)。設(shè)計(jì)雙棒串接Nd：YAG諧振腔作種子源,重復(fù)頻率100 Hz,脈沖寬度250μs,輸出單脈沖能量233 mJ,注入波導(dǎo)通量達(dá)到23.3 J/cm2。單元實(shí)驗(yàn)與整體方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：1)平面波導(dǎo)導(dǎo)波特性實(shí)驗(yàn)：提出整體尺寸1mm×10mm×60 mm,芯層尺寸0.1mm×10mm×50mm的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),通過(guò)分析近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑,驗(yàn)證幾種不同材料波導(dǎo)的導(dǎo)波特性。分析指出晶體波導(dǎo)導(dǎo)波特性要優(yōu)于同尺寸的陶瓷波導(dǎo)。2)高效泵浦耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：搭建二極管疊陣特性參數(shù)測(cè)試裝置,根據(jù)泵浦源的光譜特性和輸出特性,選取合適的耦合元件參數(shù),并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同入射角度對(duì)泵浦吸收效率的影響。3)高亮度種子光實(shí)驗(yàn)：搭建雙棒串接Nd:YAG種子源諧振腔,獲得了233mJ單脈沖能量輸出,光束質(zhì)量M2因子分別為1.82(x)和1.65(y),滿足設(shè)計(jì)要求。4)平面波導(dǎo)激光放大器實(shí)驗(yàn)：分別在單端泵浦和雙端泵浦方式,準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)工作機(jī)制下開(kāi)展激光放大實(shí)驗(yàn)。在準(zhǔn)連續(xù)工作機(jī)制下,注入種子光82.2 mJ,獲得了327 mJ的放大輸出,重復(fù)頻率100 Hz,脈沖寬度250μs,對(duì)應(yīng)峰值功率1308 W,單程增益G=4,提取效率是56%。這個(gè)結(jié)果是目前國(guó)際上,采用非水基流延成型和固相反應(yīng)燒結(jié)工藝制備的,AG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導(dǎo)激光放大器獲得的最大輸出,相關(guān)成果發(fā)表在《Chinese Optics Letters》2016年第5期上。準(zhǔn)連續(xù)放大實(shí)驗(yàn)的有效進(jìn)行驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性,為連續(xù)工作體制奠定基礎(chǔ)。連續(xù)工作機(jī)制下,在注入種子光功率為250 W,泵浦功率940.6 W時(shí)最大獲得了537 W的放大輸出,此時(shí)單程放大增益G=2.1光光效率達(dá)到30.5%,是國(guó)內(nèi)采用Nd:YAG平面波導(dǎo)獲得的最大功率輸出。最后針對(duì)放大實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的自發(fā)輻射放大(ASE)和寄生振蕩(PO)現(xiàn)象,通過(guò)熒光實(shí)驗(yàn)給出了合理的解釋,提出波導(dǎo)端面切角的抑制措施,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN248

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 高清松;胡浩;裴正平;童立新;周唐建;唐淳;;10kW級(jí)固體板條激光放大器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J];中國(guó)激光;2012年02期

，

本文編號(hào)：2412037