【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,可實現(xiàn)高轉換效率、高光束質量、高峰值功率和大脈沖能量的激光運轉。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,大面積的泵浦光斑會引起嚴重的ASE(amplified spontaneous emission)效應,導致激光的轉換效率下降。為了有效的降低ASE效應效應,如何評估ASE效應成為了目前人們研究的熱點問題之一。另一方面,ASE效應的另一個研究熱點是其造成的生熱特性。傳輸?shù)降吘壍腁SE光子會導致碟片激光器溫度的升高以及轉換效率的下降,甚至會對碟片晶體產生損壞。為了解決上述問題,本文進行了如下的研究工作。首先,本文運用P.Peterson提出的半解析方法,分析了碟片激光器中ASE光譜與ASE強度之間的關系,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,為了修正重吸收效應對ASE光譜的影響,本文對ASE的重吸收效應進行了理論分析,得到了修正重吸收效應的方法,并通過實驗進行了驗證。隨后,我們利用修正后的ASE光譜線寬得到了對應的有效上能級壽命。交叉檢驗的實驗結果表明,修正后的光譜線寬可以準確的評估ASE效應的強度。為了更加準確的使用ASE光譜評估碟片激光器中的ASE效應,我們還對碟片激光器中ASE光子在空氣中的角分布進行了分析。通過實驗可以證明,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行毛化處理,此研究結果表明,利用ASE光譜特性評估ASE強度時,可以不考慮測量角度對光譜的測量結果帶來的影響。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行了分析。隨后,為了消除ASE效應引起的碟片邊緣生熱問題,我們對碟片晶體的側面進行了倒角處理。實驗結果表明,與倒角前相比,邊緣倒角后的碟片晶體側面溫度降低了50%,光光轉換效率提高了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,從而達到降低碟片溫度,提高光光轉換效率的目的。最后,工程方面,我們利用倒角后的低ASE效應的碟片晶體,完成了脈沖碟片激光器的試驗樣機以及工程樣機的研發(fā)工作。利用自主研發(fā)的泵浦模塊、碟片晶體以及聲光調Q模塊實現(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的ASE光譜特性進行了研究,分析了ASE強度、重吸收效應對ASE光譜特性的影響,以及ASE光子的空間分布特性,提出并驗證了一種利用ASE光譜定量評估ASE效應的方法。隨后,我們研究了碟片激光器中ASE效應導致的碟片邊緣生熱的產熱機制,并利用邊緣倒角的方法有效降低了邊緣的ASE效應,最后利用邊緣倒角后的碟片晶體實現(xiàn)了高功率碟片激光器工程樣機的制備。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN248
【圖文】：

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文1. 緒論1.1.碟片激光器及其 ASE 效應的研究意義碟片激光器是一種具有高光束質量、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，被廣泛的應用在激光加工、強場物理以及 OPCPA 等領域[6-12]。從幾何結構來看，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，這種幾何結構使得碟片激光器具有極佳的散熱性質[15]。因此激光器工作時，碟片晶體的熱效應更低，更容易實現(xiàn)高功率運轉。

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定性質，使得人們需要通過較大的泵浦光斑。然而實驗表明[43-48]，當泵浦光斑尺寸特別大的時候，碟片激（amplified spontaneous emission，ASE）效應會使得激光的轉，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定性質，使得人們需要通過較大的泵浦光斑面積來實現(xiàn)高功率運行。然而實驗表明[43-48]，當泵浦光斑尺寸特別大的時候，碟片激光器中放大的自發(fā)輻射（amplified spontaneous emission，ASE）效應會使得激光的轉換效率小于功率標定值，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效應的原理示意圖。圖 1-3 碟片激光器中 ASE 產生的原理示意圖如圖 1-3 所示，當?shù)w內的自發(fā)輻射光子在增益區(qū)內傳輸時，會與處于激發(fā)

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 賈佑華;鐘標;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的理論分析[J];物理學報;2011年12期

相關博士學位論文 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;2017年

2 黃彥;碟片激光器泵浦均勻性的研究[D];華中科技大學;2016年

相關碩士學位論文 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;2017年

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

本文編號：2781234