常溫下高性能端面泵浦Yb:YAG板條增益模塊技術研究

發(fā)布時間：2020-06-15 03:12

【摘要】：高平均功率高光束質量的固體激光器在軍事和工業(yè)等領域有著重要的應用,是目前激光技術研究的熱點之一。固體激光器在高平均功率輸出時,激光介質中的廢熱將產生熱透鏡、熱應力、熱致雙折射和退偏等效應,導致光束質量下降、輸出功率受限,甚至會造成激光介質損壞。采用激光二極管(LD)泵浦和低量子虧損的激光介質可以有效地降低固體激光器的熱負載,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源于激光介質的量子虧損,以Nd:YAG激光器為例,在泵浦波長為808nm、激光波長為1064nm時,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的熱負載比大約為32%。因此,選擇低量子虧損的激光介質對降低固體激光器的熱負載非常重要�，F(xiàn)階段,適合高平均功率激光輸出的固體激光介質主要包括Nd:YAG和Yb:YAG,而Yb:YAG的量子虧損遠小于Nd:YAG的量子虧損。Yb:YAG在常溫下為準三能級系統(tǒng),為了實現(xiàn)高功率和高效率的激光輸出,必須采用高強度泵浦和高亮度激光注入。Yb:YAG激光器的泵浦強度數(shù)倍于Nd:YAG激光器,這對激光二極管陣列(LDA)的泵浦功率提出了更高要求。在高強度泵浦和高亮度激光注入時,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)�；诒卷椖拷M多年來在Nd:YAG板條主振蕩功率放大器(MOPA)技術方面的研究基礎,本論文選擇Yb:YAG板條增益模塊作為研究對象,分析了常溫下高平均功率Yb:YAG板條增益模塊的關鍵技術,通過理論和實驗研究,探索單個Yb:YAG板條增益模塊在常溫下實現(xiàn)10kW以上高平均功率激光輸出的可行性。本論文主要內容如下:一、根據(jù)端面泵浦板條對泵浦光的吸收規(guī)律,建立了端面泵浦板條的多濃度分段摻雜設計方法,設計了高儲能密度的Yb:YAG雙濃度摻雜板條;根據(jù)Yb:YAG的能級結構和準三能級速率方程開展了 Yb:YAG的激光動力學研究,推導了泵浦光吸收系數(shù)、激光增益系數(shù)和激光提取效率等主要物理量的數(shù)學表達式,并分析了泵浦強度和激光強度對Yb:YAG激光提取效率的影響;開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和光光轉換效率的數(shù)值模擬,分別研究了泵浦強度、激光強度、工作溫度和傳輸損耗對Yb:YAG板條增益模塊輸出光強和光光轉換效率的影響,從理論上給出了Yb:YAG板條增益模塊在常溫下獲得45%以上光光轉換效率的設計參數(shù)。二、根據(jù)板條增益模塊的能量流程推導得到了光光轉換效率的數(shù)學表達式,直觀地顯示了各種因素對板條增益模塊光光轉換效率的影響;開展了非對稱端面泵浦耦合技術研究,從理論上證明了非對稱端面泵浦耦合技術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,延長了 LDA的使用壽命;開展了零聲子線泵浦Yb:YAG板條增益模塊的理論研究,通過數(shù)值模擬證明了在相同熱負載狀態(tài)下,采用零聲子線泵浦時Yb:YAG板條增益模塊的光光轉換效率與941nm泵浦時基本一致,但由于泵浦強度可以提高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,設計了滿足高泵浦強度和高泵浦均勻性要求的泵浦耦合系統(tǒng),實驗測得Yb:YAG板條端面熒光分布的均勻性達到了 95%,充分驗證了慢軸波導勻化和擴束成像泵浦耦合系統(tǒng)的泵浦均勻性,研制了預放和主放Yb:YAG板條增益模塊;開展了抑制Yb:YAG板條增益模塊中放大的自發(fā)輻射(ASE)和寄生振蕩(PO)的技術研究,選擇了在Yb:YAG板條側面鍵合Cr4+:YAG以抑制ASE和PO的技術途徑,同時還有可能減小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、在常溫下開展了 Yb:YAG板條增益模塊的激光輸出實驗,實驗分別測量了預放和主放Yb:YAG板條增益模塊的輸出功率與光光轉換效率,其中主放Yb:YAG板條增益模塊的有效輸出功率達到了 11.3kW。這是目前已有報道的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,驗證了單個Yb:YAG板條增益模塊在常溫下實現(xiàn)10kW以上高平均功率激光輸出的可行性。五、根據(jù)實驗參數(shù)進行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬與實驗結果比較吻合,驗證了理論模型的正確性,為進一步開展Yb:YAG板條增益模塊的優(yōu)化設計、提高Yb:YAG板條增益模塊的輸出功率、功率體積比和光光轉換效率建立了基礎。Yb:YAG板條增益模塊已經應用于板條MOPA激光器實驗,將1030nm光纖種子源通過一個預放和一個主放Yb:YAG板條增益模塊進行功率放大,在常溫下實現(xiàn)了 11.9kW的激光輸出,連續(xù)輸出時間達到110s,波前校正后的光束質量β大約為2.8倍衍射極限。在上述基礎上再增加一個主放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。本論文的主要技術進步與創(chuàng)新點如下:1、建立了端面泵浦板條的多濃度分段摻雜設計方法,設計的雙濃度摻雜板條的平均儲能密度相比常規(guī)的單濃度摻雜板條提高了30%,設計的慢軸波導勻化和擴束成像泵浦耦合系統(tǒng)的泵浦均勻性達到了 95%。2、在常溫下開展了 Yb:YAG板條增益模塊的激光輸出實驗,其中主放Yb:YAG板條增益模塊的有效輸出功率達到了11.3kW,這是目前已有報道的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、提出了非對稱端面泵浦和零聲子線泵浦Yb:YAG板條的技術方案,為進一步提高Yb:YAG板條增益模塊的輸出功率奠定了基礎。
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN248.1
【圖文】：