【摘要】：高平均功率高光束質(zhì)量的固體激光器在軍事和工業(yè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,是目前激光技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。固體激光器在高平均功率輸出時(shí),激光介質(zhì)中的廢熱將產(chǎn)生熱透鏡、熱應(yīng)力、熱致雙折射和退偏等效應(yīng),導(dǎo)致光束質(zhì)量下降、輸出功率受限,甚至?xí)斐杉す饨橘|(zhì)損壞。采用激光二極管(LD)泵浦和低量子虧損的激光介質(zhì)可以有效地降低固體激光器的熱負(fù)載,從而顯著地提高固體激光器的輸出功率。固體激光器的熱量主要來(lái)源于激光介質(zhì)的量子虧損,以Nd:YAG激光器為例,在泵浦波長(zhǎng)為808nm、激光波長(zhǎng)為1064nm時(shí),Nd:YAG的量子虧損大約為24%,加上非輻射躍遷,Nd:YAG激光器在激光輸出時(shí)的熱負(fù)載比大約為32%。因此,選擇低量子虧損的激光介質(zhì)對(duì)降低固體激光器的熱負(fù)載非常重要。現(xiàn)階段,適合高平均功率激光輸出的固體激光介質(zhì)主要包括Nd:YAG和Yb:YAG,而Yb:YAG的量子虧損遠(yuǎn)小于Nd:YAG的量子虧損。Yb:YAG在常溫下為準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)高功率和高效率的激光輸出,必須采用高強(qiáng)度泵浦和高亮度激光注入。Yb:YAG激光器的泵浦強(qiáng)度數(shù)倍于Nd:YAG激光器,這對(duì)激光二極管陣列(LDA)的泵浦功率提出了更高要求。在高強(qiáng)度泵浦和高亮度激光注入時(shí),Yb:YAG板條和激光傳輸鏈路的抗損傷能力、板條冷卻器的散熱能力都將面臨更大的挑戰(zhàn)�；诒卷�(xiàng)目組多年來(lái)在Nd:YAG板條主振蕩功率放大器(MOPA)技術(shù)方面的研究基礎(chǔ),本論文選擇Yb:YAG板條增益模塊作為研究對(duì)象,分析了常溫下高平均功率Yb:YAG板條增益模塊的關(guān)鍵技術(shù),通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究,探索單個(gè)Yb:YAG板條增益模塊在常溫下實(shí)現(xiàn)10kW以上高平均功率激光輸出的可行性。本論文主要內(nèi)容如下:一、根據(jù)端面泵浦板條對(duì)泵浦光的吸收規(guī)律,建立了端面泵浦板條的多濃度分段摻雜設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了高儲(chǔ)能密度的Yb:YAG雙濃度摻雜板條;根據(jù)Yb:YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)三能級(jí)速率方程開(kāi)展了 Yb:YAG的激光動(dòng)力學(xué)研究,推導(dǎo)了泵浦光吸收系數(shù)、激光增益系數(shù)和激光提取效率等主要物理量的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并分析了泵浦強(qiáng)度和激光強(qiáng)度對(duì)Yb:YAG激光提取效率的影響;開(kāi)展了泵浦光與激光相互耦合條件下Yb:YAG板條增益模塊輸出光強(qiáng)和光光轉(zhuǎn)換效率的數(shù)值模擬,分別研究了泵浦強(qiáng)度、激光強(qiáng)度、工作溫度和傳輸損耗對(duì)Yb:YAG板條增益模塊輸出光強(qiáng)和光光轉(zhuǎn)換效率的影響,從理論上給出了Yb:YAG板條增益模塊在常溫下獲得45%以上光光轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)參數(shù)。二、根據(jù)板條增益模塊的能量流程推導(dǎo)得到了光光轉(zhuǎn)換效率的數(shù)學(xué)表達(dá)式,直觀地顯示了各種因素對(duì)板條增益模塊光光轉(zhuǎn)換效率的影響;開(kāi)展了非對(duì)稱端面泵浦耦合技術(shù)研究,從理論上證明了非對(duì)稱端面泵浦耦合技術(shù)不僅顯著地提高了泵浦耦合效率,而且有效隔離了殘余泵浦光,延長(zhǎng)了 LDA的使用壽命;開(kāi)展了零聲子線泵浦Yb:YAG板條增益模塊的理論研究,通過(guò)數(shù)值模擬證明了在相同熱負(fù)載狀態(tài)下,采用零聲子線泵浦時(shí)Yb:YAG板條增益模塊的光光轉(zhuǎn)換效率與941nm泵浦時(shí)基本一致,但由于泵浦強(qiáng)度可以提高30%以上,因此Yb:YAG板條增益模塊的有效輸出功率可以提高將近30%。三、分析和比較了空間疊加與偏振疊加LDA輸出性能的差異,設(shè)計(jì)了滿足高泵浦強(qiáng)度和高泵浦均勻性要求的泵浦耦合系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)測(cè)得Yb:YAG板條端面熒光分布的均勻性達(dá)到了 95%,充分驗(yàn)證了慢軸波導(dǎo)勻化和擴(kuò)束成像泵浦耦合系統(tǒng)的泵浦均勻性,研制了預(yù)放和主放Yb:YAG板條增益模塊;開(kāi)展了抑制Yb:YAG板條增益模塊中放大的自發(fā)輻射(ASE)和寄生振蕩(PO)的技術(shù)研究,選擇了在Yb:YAG板條側(cè)面鍵合Cr4+:YAG以抑制ASE和PO的技術(shù)途徑,同時(shí)還有可能減小Yb:YAG板條邊緣的溫度梯度,理論上可以提高Yb:YAG板條增益模塊的輸出性能。四、在常溫下開(kāi)展了 Yb:YAG板條增益模塊的激光輸出實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了預(yù)放和主放Yb:YAG板條增益模塊的輸出功率與光光轉(zhuǎn)換效率,其中主放Yb:YAG板條增益模塊的有效輸出功率達(dá)到了 11.3kW。這是目前已有報(bào)道的Yb:YAG板條增益模塊在常溫下獲得的最高功率的連續(xù)激光輸出,驗(yàn)證了單個(gè)Yb:YAG板條增益模塊在常溫下實(shí)現(xiàn)10kW以上高平均功率激光輸出的可行性。五、根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合,驗(yàn)證了理論模型的正確性,為進(jìn)一步開(kāi)展Yb:YAG板條增益模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高Yb:YAG板條增益模塊的輸出功率、功率體積比和光光轉(zhuǎn)換效率建立了基礎(chǔ)。Yb:YAG板條增益模塊已經(jīng)應(yīng)用于板條MOPA激光器實(shí)驗(yàn),將1030nm光纖種子源通過(guò)一個(gè)預(yù)放和一個(gè)主放Yb:YAG板條增益模塊進(jìn)行功率放大,在常溫下實(shí)現(xiàn)了 11.9kW的激光輸出,連續(xù)輸出時(shí)間達(dá)到110s,波前校正后的光束質(zhì)量β大約為2.8倍衍射極限。在上述基礎(chǔ)上再增加一個(gè)主放Yb:YAG板條增益模塊,激光輸出功率增加到22.3kW,波前校正后的光束質(zhì)量β大約為3.3倍衍射極限,這是常溫下Yb:YAG板條激光器獲得的最高功率的連續(xù)激光輸出。本論文的主要技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新點(diǎn)如下:1、建立了端面泵浦板條的多濃度分段摻雜設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)的雙濃度摻雜板條的平均儲(chǔ)能密度相比常規(guī)的單濃度摻雜板條提高了30%,設(shè)計(jì)的慢軸波導(dǎo)勻化和擴(kuò)束成像泵浦耦合系統(tǒng)的泵浦均勻性達(dá)到了 95%。2、在常溫下開(kāi)展了 Yb:YAG板條增益模塊的激光輸出實(shí)驗(yàn),其中主放Yb:YAG板條增益模塊的有效輸出功率達(dá)到了11.3kW,這是目前已有報(bào)道的Yb:YAG板條增益模塊在常溫下獲得的最高功率的連續(xù)激光輸出。3、提出了非對(duì)稱端面泵浦和零聲子線泵浦Yb:YAG板條的技術(shù)方案,為進(jìn)一步提高Yb:YAG板條增益模塊的輸出功率奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN248.1
【圖文】：

圖１．３邋Ｙｂ：ＹＡＧ單棒放大器示意圖ｗ逡逑２逡逑

Yb:YAG雙棒諧振腔示意圖peg

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2713807