【摘要】：碟片激光器是一種基于薄片狀激光晶體的全固態(tài)激光器,可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率、高光束質(zhì)量、高峰值功率和大脈沖能量的激光運(yùn)轉(zhuǎn)。碟片激光器可以通過增加泵浦光斑尺寸的方法來提高輸出功率。在大能量輸出時(shí),大面積的泵浦光斑會引起嚴(yán)重的ASE(amplified spontaneous emission)效應(yīng),導(dǎo)致激光的轉(zhuǎn)換效率下降。為了有效的降低ASE效應(yīng)效應(yīng),如何評估ASE效應(yīng)成為了目前人們研究的熱點(diǎn)問題之一。另一方面,ASE效應(yīng)的另一個(gè)研究熱點(diǎn)是其造成的生熱特性。傳輸?shù)降吘壍腁SE光子會導(dǎo)致碟片激光器溫度的升高以及轉(zhuǎn)換效率的下降,甚至?xí)䦟Φw產(chǎn)生損壞。為了解決上述問題,本文進(jìn)行了如下的研究工作。首先,本文運(yùn)用P.Peterson提出的半解析方法,分析了碟片激光器中ASE光譜與ASE強(qiáng)度之間的關(guān)系,并從理論上提出了一種利用ASE光譜線寬來擬合有效上能級壽命的迭代算法。與此同時(shí),為了修正重吸收效應(yīng)對ASE光譜的影響,本文對ASE的重吸收效應(yīng)進(jìn)行了理論分析,得到了修正重吸收效應(yīng)的方法,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。隨后,我們利用修正后的ASE光譜線寬得到了對應(yīng)的有效上能級壽命。交叉檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,修正后的光譜線寬可以準(zhǔn)確的評估ASE效應(yīng)的強(qiáng)度。為了更加準(zhǔn)確的使用ASE光譜評估碟片激光器中的ASE效應(yīng),我們還對碟片激光器中ASE光子在空氣中的角分布進(jìn)行了分析。通過實(shí)驗(yàn)可以證明,對于邊緣毛化的碟片晶體,其入射到空氣中的ASE光子強(qiáng)度的角分布為均勻分布。由于目前商用的碟片晶體邊緣均進(jìn)行毛化處理,此研究結(jié)果表明,利用ASE光譜特性評估ASE強(qiáng)度時(shí),可以不考慮測量角度對光譜的測量結(jié)果帶來的影響。另一方面,通過對ASE光子空間分布的研究可以知道,大多數(shù)ASE光子會聚集到碟片的邊緣。本文通過理論分析、有限元分析仿真等方法對傳輸?shù)降吘壍腁SE光子在碟片晶體中的生熱過程進(jìn)行了分析。隨后,為了消除ASE效應(yīng)引起的碟片邊緣生熱問題,我們對碟片晶體的側(cè)面進(jìn)行了倒角處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與倒角前相比,邊緣倒角后的碟片晶體側(cè)面溫度降低了50%,光光轉(zhuǎn)換效率提高了15%。由此可見,邊緣倒角的方法可以有效的降低碟片邊緣的ASE效應(yīng),從而達(dá)到降低碟片溫度,提高光光轉(zhuǎn)換效率的目的。最后,工程方面,我們利用倒角后的低ASE效應(yīng)的碟片晶體,完成了脈沖碟片激光器的試驗(yàn)樣機(jī)以及工程樣機(jī)的研發(fā)工作。利用自主研發(fā)的泵浦模塊、碟片晶體以及聲光調(diào)Q模塊實(shí)現(xiàn)了平均功率大于300W,峰值功率100kW,單脈沖能量~35mJ的激光輸出。綜上所述,本文首先對碟片激光器內(nèi)的ASE光譜特性進(jìn)行了研究,分析了ASE強(qiáng)度、重吸收效應(yīng)對ASE光譜特性的影響,以及ASE光子的空間分布特性,提出并驗(yàn)證了一種利用ASE光譜定量評估ASE效應(yīng)的方法。隨后,我們研究了碟片激光器中ASE效應(yīng)導(dǎo)致的碟片邊緣生熱的產(chǎn)熱機(jī)制,并利用邊緣倒角的方法有效降低了邊緣的ASE效應(yīng),最后利用邊緣倒角后的碟片晶體實(shí)現(xiàn)了高功率碟片激光器工程樣機(jī)的制備。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN248
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文1. 緒論1.1.碟片激光器及其 ASE 效應(yīng)的研究意義碟片激光器是一種具有高光束質(zhì)量、高峰值功率的全固態(tài)激光器[1-5]。自 1994 年A. Giesen 等人第一次提出碟片激光器的概念以來[1]，碟片激光器得到了迅猛的發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用在激光加工、強(qiáng)場物理以及 OPCPA 等領(lǐng)域[6-12]。從幾何結(jié)構(gòu)來看，典型的碟片晶體厚度為 100μm～350μm[13,14]，碟片直徑為 7～20mm[13]。與光纖激光器類似，碟片晶體也具有很高的表面積體積比，這種幾何結(jié)構(gòu)使得碟片激光器具有極佳的散熱性質(zhì)[15]。因此激光器工作時(shí)，碟片晶體的熱效應(yīng)更低，更容易實(shí)現(xiàn)高功率運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖 1-2 碟片激光器與光纖激光器的對比片激光器的功率標(biāo)定性質(zhì)，使得人們需要通過較大的泵浦光斑。然而實(shí)驗(yàn)表明[43-48]，當(dāng)泵浦光斑尺寸特別大的時(shí)候，碟片激（amplified spontaneous emission，ASE）效應(yīng)會使得激光的轉(zhuǎn)，阻礙碟片放大器獲得更高的功率[42,43,48,49]。圖 1-3 為碟片激示意圖。

圖 1-2 碟片激光器與光纖激光器的對比由于碟片激光器的功率標(biāo)定性質(zhì)，使得人們需要通過較大的泵浦光斑面積來實(shí)現(xiàn)高功率運(yùn)行。然而實(shí)驗(yàn)表明[43-48]，當(dāng)泵浦光斑尺寸特別大的時(shí)候，碟片激光器中放大的自發(fā)輻射（amplified spontaneous emission，ASE）效應(yīng)會使得激光的轉(zhuǎn)換效率小于功率標(biāo)定值，阻礙碟片放大器獲得更高的功率[42,43,48,49]。圖 1-3 為碟片激光器中 AS效應(yīng)的原理示意圖。圖 1-3 碟片激光器中 ASE 產(chǎn)生的原理示意圖如圖 1-3 所示，當(dāng)?shù)w內(nèi)的自發(fā)輻射光子在增益區(qū)內(nèi)傳輸時(shí)，會與處于激發(fā)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 賈佑華;鐘標(biāo);印建平;;Tm~(3+)摻雜ZrF_4-BaF_2-LaF_3-AlF_3-NaF-PbF_2玻璃激光制冷中熒光再吸收效應(yīng)的理論分析[J];物理學(xué)報(bào);2011年12期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 彭英楠;高平均功率飛秒固體鎖模激光及光譜展寬的研究[D];西安電子科技大學(xué);2017年

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 宋恩茂;碟片多程激光放大器的研究[D];華中科技大學(xué);2017年

2 林兆聰;Yb:YAG碟片激光器放大自發(fā)輻射效應(yīng)的理論研究[D];華中科技大學(xué);2017年

本文編號：2781234