從第一臺(tái)激光器出現(xiàn)以來,固體激光器的發(fā)展也越來越成熟,使用激光二極管端面泵浦的固體激光器也展示出了其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。而晶體的參數(shù)是設(shè)計(jì)激光器首先要考慮的因素,晶體的長度對(duì)激光器的性能及效率有著不可忽視的影響。激光器的晶體長度對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光器的自吸收損耗、熱致衍射損耗及輸出功率有著很大的影響。因此,本文在實(shí)驗(yàn)室所做研究的基礎(chǔ)上,從速率方程出發(fā),理論計(jì)算LD端面泵浦固體激光器的晶體長度與自吸收損耗、熱致衍射損耗及輸出功率的關(guān)系,分析晶體長度對(duì)其的影響。主要工作如下:首先,選用Nd:GdVO_4(摻釹釩酸釓)為本課題所用的激光晶體,對(duì)其性質(zhì)做基本的介紹,分析激光晶體相關(guān)參數(shù),建立準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)模型,理論分析了在R_1至Z_5能級(jí)的912 nm的激光躍遷。其次,建立了準(zhǔn)三能級(jí)激光器的速率方程,并引入能量傳輸上轉(zhuǎn)換效應(yīng),推導(dǎo)出包含輸出功率的隱函數(shù)表達(dá)式,通過數(shù)值計(jì)算得到晶體長度與輸出功率的關(guān)系,表明存在最佳晶體長度使得輸出功率最大。然后從理論上對(duì)自吸收損耗表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo),表明自吸收損耗與晶體長度成正比關(guān)系。然后,對(duì)激光晶體的熱效應(yīng)進(jìn)行了分析,先對(duì)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行了詳細(xì)分析,然后主要對(duì)熱致衍射損耗效應(yīng)進(jìn)行了理論推導(dǎo),并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得出晶體長度與熱致衍射損耗的關(guān)系。并且在考慮熱致衍射損耗效應(yīng)的情況下,對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行理論分析并計(jì)算,得到了晶體長度與激光器輸出功率的關(guān)系。最后,對(duì)諧振腔基本理論進(jìn)行介紹,并通過對(duì)比平-平腔與平-凹腔的優(yōu)缺點(diǎn),選擇了平-凹腔進(jìn)行912 nm激光器的實(shí)驗(yàn)研究,在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上選取不同的晶體長度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得出不同晶體長度時(shí)激光器輸出功率的大小,通過與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比并分析,得到了激光器的輸出功率最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的晶體長度的大小為6 mm。
【學(xué)位單位】：西安工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

但時(shí)自吸收損耗同樣也變大，因此存在一個(gè)最佳的晶體長度使得在泵浦功率一定時(shí)輸出功率最大。如圖3.3 所示，可以看出在晶體長度為 5-7 mm 時(shí)輸出功率較大。3.4 自吸收損耗的分析自吸收損耗（也可稱為再吸收損耗）是影響準(zhǔn)三能級(jí)激光器效率的重要因素，由于準(zhǔn)三能級(jí)激光器的能級(jí)特點(diǎn)，準(zhǔn)三能級(jí)激光器的下能級(jí)存在粒子數(shù)，產(chǎn)生了對(duì)激光的再吸收，使得激光起振閾值增加，影響了激光器的性能[47]。自吸收損耗是準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)激光器不可避免的，是其固有的特點(diǎn)，無法消除，因此需要對(duì)其進(jìn)行分析研究，將自吸收損耗盡量減小，來提高激光器的性能。下面將在前幾節(jié)所建立的速率方程的基礎(chǔ)上，對(duì)自吸收損耗進(jìn)行研究，并且利用數(shù)值計(jì)算的方法，求解其表達(dá)式，并分析晶體長度與自吸收損耗的關(guān)系。由上節(jié)可知腔內(nèi)光子數(shù)速率方程為( ) ( )0ΦΦΦ0 crystal cτNr,zr,zdVncσdtd (3.52)將其變換一種形式( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + crystalcrystalNr,zNrzr,zdVτNr,zr,zdVncσ00-,ΦΦΦ (3.53)上式中 ΔN′為四能級(jí)系統(tǒng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度，ΔN 為上節(jié)所求得的準(zhǔn)三能級(jí)激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度。（3.53）式左邊與四能級(jí)系統(tǒng)腔內(nèi)光子數(shù)速率方程相同，右邊多了一項(xiàng)積

( ) ( ) ( ) crystalceabsNrzNr,zr,zdVnL0,2 ( )( )( )rznfc1τfRrr,zNr,zp,0 + 0002 11p acfRr N f BnNcf Bn + + +與(3.56)兩式代入自吸收損耗表達(dá)式(3.54)中，同樣利用實(shí)驗(yàn)參數(shù)，吸收損耗的關(guān)系。如下圖所示，圖 3.4 為泵浦功率 Pp= 20 W，模式.65，泵浦光功率一定時(shí)，所用泵浦光平均光斑斑半徑分別為 100 μm晶體長度與自吸收損耗的關(guān)系。圖 3.5 為當(dāng)泵浦光的平均光斑半徑分別是 10 W、20 W、30 W 的時(shí)候，晶體長度和自吸收損耗之間的

圖 3.5 不同泵浦功率時(shí)自吸收損耗abs與晶體長度 l 的關(guān)系4 與圖 3.5 中能夠得出，隨著晶體長度的變大，自吸收損耗也同樣變光斑半徑變大，變化得更加明顯，也就是說當(dāng)晶體長度不變的時(shí)候，，自吸收損耗越大，而且泵浦光光斑半徑對(duì)自吸收損耗的影響比較大功率同樣成正比，晶體長度一定時(shí)，泵浦功率越大，自吸收損耗越大結(jié)先建立了準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)模型，將能量傳輸上轉(zhuǎn)換效應(yīng)引入到速率方程的情況下對(duì)激光器的準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)的速率方程進(jìn)行了推導(dǎo)，并且通算的方法得到了在不同泵浦功率下激光晶體長度對(duì)輸出功率大小的影著晶體長度的增加先增加后減小，存在最佳的晶體長度使得激光器輸導(dǎo)出自吸收損耗的表達(dá)式，并通過理論計(jì)算，在不同的泵浦功率或均半徑的情況下下，自吸收損耗與晶體長度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)自吸收比關(guān)系，晶體長度越長，自吸收損耗越大，表明了晶體長度對(duì)激光器

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本文編號(hào)：2813116