發(fā)布時間：2020-03-21 21:04

【摘要】：近年來,得益于中國政府在產(chǎn)業(yè)升級,智能制造領域的大力扶持和政策引導,高光束質量、高峰值功率的紅外、綠光甚至紫外激光器成為激光領域的研究熱點。基于主振蕩功率放大結構的固體激光器以其簡單緊湊的結構、良好的穩(wěn)定性、較高的性價比得到了激光加工尤其是精細加工領域的青睞。本文著眼于激光應用市場,主要對固體激光放大技術進行了研究,以期獲取高光束質量、高峰值功率的激光輸出。文章主要分為兩方面內容:第一方面從制約光束質量的晶體熱效應入手,通過仿真計算尋找熱管理的有效方法,并基于對稱腔和非對稱腔的自再現(xiàn)模對影響光束質量的熱致球差進行了分析和仿真,提出球差補償理論;第二方面將球差補償理論在放大級中進行驗證,并基于良好的熱管理和球差補償理論,設計搭建了一套高光束質量、高峰值功率的光纖固體混合放大系統(tǒng),并對其非線性轉換進行了研究分y。本文以成熟的商用激光增益介質Nd:YVO4和Nd:YAG為主要研究對象,二者都是良好的激光增益介質,但由于熱致畸變導致的光束質量惡化成為制約其獲取更高功率的重要因素。通過對不同結構諧振腔的研究,發(fā)現(xiàn)高斯光束在諧振腔中的光強分布和相位分布會隨著傳播過程而不斷變化,兩者共同作用,表現(xiàn)為光束質量的變化。在對稱腔結構中,光束質量在傳播過程中不發(fā)生變化,而在非對稱腔中光束質量經(jīng)歷改善到惡化的循環(huán)過程。通過將腔內的光束質量演化過程在腔外通過多級放大器循環(huán)設計,實現(xiàn)了光束質量的有效管理。文章從仿真、理論和實驗上對這一過程進行了研究分析,得出由于晶體熱效應引入的正球差為影響光束質量的主要因素。然而高斯光束傳播過程中,球差會不斷變化。它在經(jīng)過束腰后球差會由正值變?yōu)樨撝?當絕對值與正球差相近的負球差再經(jīng)過帶有正球差的晶體后,就可以實現(xiàn)球差的補償從而實現(xiàn)光束質量的改善,這一過程可以通過兩級放大級單通實現(xiàn),也可以通過一級放大級雙通來實現(xiàn)。這一理論不僅適用于同一介質主振蕩多級放大過程,同樣對于不同增益介質也適用。當一束高光束質量的光束經(jīng)過一級增益介質的雙通放大,可以保證光束質量基本不變,從而繼續(xù)進入下一級雙通放大。這有助于充分利用光纖激光器易獲得小信號、窄脈寬、重頻和譜線可調的輸出特點,以及Nd:YVO4晶體在小信號輸入時易獲得高增益和Nd:YAG晶體在高填充大功率抽取條件易獲得高功率輸出的優(yōu)點,將三者充分結合。設計了以鎖模光纖激光器作為種子源,兩級Nd:YVO4雙通放大作為預放,和一級Nd:YAG雙通放大作為主放的主振蕩功率放大系統(tǒng)(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)。其中,光纖種子源脈寬4.8 ps,輸出重頻在30 kHz-30 MHz可調,單脈沖能量為～1 nJ,譜線在1064.4 nm中心譜線附近± 0.2 nm可調。對于兩級Nd:YV04雙通放大,通過合理設計每一個放大級泵浦點的大小和填充因子,保證了高增益的獲取,對于單級Nd:YAG雙通放大,通過增大泵浦和填充因子,提高抽取效率的同時降低了激光在晶體表面的峰值功率密度,以防高峰值功率損傷晶體。最后在重頻30 kHz,中心譜線1064.38 nm條件下得到平均功率為31.8 W的激光輸出,單脈沖峰值功率超過100 MW,而光束質量因子為1.26,整個放大系統(tǒng)的增益超過60dB�；谏鲜鲋髡袷幑β史糯笙到y(tǒng),分別在腔外進行了二倍頻和四倍頻的實驗研究。得益于上述系統(tǒng)的高峰值功率以及高光束質量,獲得了 80%的二倍頻轉換效率和35%的四倍頻轉換效率,最終得到25.5 W 532 nm激光輸出及8.9 W 266 nm激光輸出。
【圖文】：

２００８年相干公司的Ｄａｖｉｄ等人將重頻４０邋ＭＨｚ、平均功率３邋ｍＷ、脈寬５邋ｐｓ的鎖模光逡逑纖種子源通過雙端泵浦Ｎｄ：ＹＶ０４再生放大的技術得到輸出功率２５邋Ｗ、重頻２００邋ｋＨｚ，，脈逡逑寬１０邋ｐｓ的１０６４邋ｎｍ激光輸出，其光束質量因子Ｍ２＜邋１．３，實驗裝置如圖１－１所示［３４］。逡逑Ｍｌ逡逑Ｓｅｅｄ逡逑ｌａｓｅｒ逡逑——ＱＷＰ逡逑ｐＰ邋ＱＱ邋Ｌ邋＞逡逑，，逡逑Ｏｕｔｐｕｔ邐Ｊ邋Ｍ６逡逑４0ｗ＾＾ｍ５逡逑圖１－１再生放大器原理圖｜３４］逡逑４逡逑

圖ｌ－２Ｙｂ：ＹＡＧ雙碟片再生放大器原理圖１３５１逡逑２０１２年德國Ｅｄｇｅｗａｖｅ公司１３６１的Ｋｅｒｎｉｎｇ邋Ｄｕ等人通過Ｉｎｎｏｓｌａｂ的兩級ＭＯＰＡ放將一個重頻２０邋ＭＨｚ的１０邋ｐｓ的鎖模Ｎｄ：ＹＶ０４振蕩器功率放大到約４００邋Ｗ，其在ＭＨｚ的時候獲得平均功率４２２邋Ｗ的輸出，在重頻０．５邋ＭＨｚ的時候平均功率達到３８輸出的光束質量Ｍ２邋＝邋１．２。具體的裝置原理圖如圖１－３所示。逡逑Ｆａｒａｄａｙ逡逑Ｓｅｅｄｅｒ逡逑Ｍｕｌｔｉ邋Ｐａｓｓ－Ａｍｌｉｆｉｅｒ逡逑
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN248.1

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 董延濤;趙智剛;劉崇;陳軍;;熱效應對固體激光器偏振特性和基模輸出特性的影響[J];中國激光;2009年07期

2 張俊華;激光工藝在電子行業(yè)中的應用[J];電子工業(yè)專用設備;2003年05期

本文編號：2593935