作為一種新型的氣體激光器,半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器(DPAL)具有量子效率高、熱效應低、光束質量好、高功率連續(xù)運轉、無化學污染等優(yōu)點,在激光冷卻、材料加工、定向能量傳輸、醫(yī)療、國防和科學等領域有較大的應用前景。因此,深入研究激光動力學和流體動力學機制、探索能獲得更大功率的泵浦結構、預測高功率泵浦下的溫度分布和輸出特性,對指引今后該類激光器的設計方向具有重要意義。本文首先提出了四種新型橫向泵浦結構,包括橫向四端、梯形、半環(huán)和環(huán)形LD泵浦。相較于以往的泵浦結構,它們能在蒸氣池側面排列更多的半導體激光陣列,以獲得更大的激光輸出。給出了這四種泵浦結構不同的蒸氣池分割方法和相應的數(shù)值算法,用橫向單端泵浦的實驗參數(shù)進行模擬,分析了幾種泵浦結構的輸出特性。其次,在高功率泵浦下必須考慮堿金屬原子的高能級躍遷(包括能量碰撞轉移、光激發(fā)、電離和復合等)、放大自發(fā)輻射、飽和效應等,同時引入流動進行散熱。在耦合速率方程與熱平衡方程的基礎上,建立起高功率泵浦DPAL放大器的基本模型,并提出了放大區(qū)域溫度的簡化算法。接著,提出了縱向泵浦DPAL放大器和橫向單端、雙端泵浦DPAL的三維溫度模型,并給出了相應的三維泵浦光強、激光光強和溫度分布的迭代算法。計算結果表明,高功率下只考慮恒定溫度或者單一溫度分布的假設是不充分的,考慮3D溫度分布才能獲得與實驗相一致的結果。在此基礎上,首次繪制了縱向泵浦放大器、橫向泵浦激光器的三維溫度分布。在考慮泵浦光和激光光強的徑向分布和光斑半徑的軸向分布(統(tǒng)稱為“光束分布”)、以及溫度的徑向分布的基礎上,耦合了功率的一階ODE(常微分方程)與溫度的二階ODE,建立DPAL及其放大器的ODE模型。計算結果揭示了增益介質內平頂分布的、比受激輻射更寬的自發(fā)輻射區(qū)域,在一定程度上削減了激光輸出。另外,計算所得的猝滅產(chǎn)熱占比超過了弛豫,占總產(chǎn)熱的一半以上。最后,綜合考慮光強的徑向分布和光斑半徑的軸向分布,同時將速率方程、功率傳輸方程和三維熱傳導方程相結合,建立起堿金屬蒸氣激光器的含時溫度模型。計算得到的含時功率和含時溫度曲線與實驗結果非常吻合,平均激光功率和最大溫升與實驗基本一致。在多脈沖泵浦模式下探索了實現(xiàn)更短熱弛豫時間和更大輸出能量的方法,并獲得了重復頻率高于100Hz的準連續(xù)激光輸出。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

２．１引言??目前光泵堿金屬蒸氣激光器的泵浦結構有兩種：縱向（軸向）泵浦和橫向（側??面）泵浦，如圖２－１�？v向泵浦結構包括縱向單端泵浦［Ｍ】以及縱向雙端泵浦［５＿７］；??而橫向泵浦結構目前實驗上只有橫向單端泵浦一種［８，９］。這些不同泵浦結構的相??應模型已經(jīng)由多個研究組建立［１（）－｜６】。另外，為了在保證光束質量前提下進一步提??高ＤＰＡＬ的功率，部分研究組還對不同泵浦結構的主振蕩器功率放大器（ＭＯＰＡ）??進行了研究［１７＿２１］，展示了?ＤＰＡＬ的高效率和功率放大的潛力。??橫向泵￥?＿對夢＿??｛?＾??一…３，??圖２－１縱向與橫向泵浦結構（光泵）??為了獲得高功率ＤＰＡＬ，一個必要條件是要有高功率泵浦光源，這就需要使??用多個半導體激光進行泵浦。對于縱向泵浦結構而言，將四個以上的泵浦光束耦??合進蒸氣室中是非常難的［２２］

２．２橫向四端泵浦??２．２．丨理論模型??圖２－２是橫向四端泵浦堿金屬蒸氣激光ＭＯＰＡ系統(tǒng)的示意圖【２３］，其中蒸氣??池是一個空心圓柱體（／？ＸＬ），里面充有了增益介質和緩沖氣體。四束關于光軸??對稱分布的泵浦光在側面通過狹縫耦合進入蒸氣池，其沿２軸的強度分布可以假??設為均勻的。祌子光從ｘ－ｙ平面進入蒸氣池并沿著ｚ軸傳播以被放大。??ｙ??／?Ｐｕｍｐ?ｂｅａｍｓ??一：—’??Ｗａｓｔｅ?ＯｏＣｉｔａｔｏｒ?ｇ６ｅ＜ｊ?ｂｅａｍ??：?Ｔ７－－ｒｒ－７?；?；?＾??＼?Ｐｕｍｐ?ｂｅａｍｓ??ｘ??圖２－２四端對稱泵浦堿金屬蒸氣激光放大器的結構簡圖??在橫向（ｘ，?ｙ）上，我們把蒸氣池分割為一個個Ａｘ?ｘ?４ｙ?ｘ?Ｌ的體積元，如圖??２－３所示。假設來自四個不同方向的泵浦光聚焦在蒸氣池的中心軸上，則每個體??積元都有四個方向的泵浦光功率（Ｐ／、＆＿、Ｐｙ＋和Ｐｆ）。??Ｐ＾？．ｙＡ）?Ｓ?〇?ｓ?Ｐ；（？，ｙ．Ａ．）?〇??Ｔ＊Ｉ?Ｔ？Ｉｌ??ＣｗＳ—６—（?－ｒ－Ｓ?＼１Ｔ?Ｔ?Ｋｌｌｉｎ＂５??⑷?（ｂ）??ｙ?ｖ?ｙ丨??圖２－３蒸氣池分割示意圖（１／４橫截面）。黑色粗線是泵浦光的當前位置，而灰??色線是它們之前的位置。（ａ）表示只考慮兩個垂直方向泵浦光；（ｂ）表示考慮全??部四個方向的泵浦光??１３??

２．２橫向四端泵浦??２．２．丨理論模型??圖２－２是橫向四端泵浦堿金屬蒸氣激光ＭＯＰＡ系統(tǒng)的示意圖【２３］，其中蒸氣??池是一個空心圓柱體（／？ＸＬ），里面充有了增益介質和緩沖氣體。四束關于光軸??對稱分布的泵浦光在側面通過狹縫耦合進入蒸氣池，其沿２軸的強度分布可以假??設為均勻的。祌子光從ｘ－ｙ平面進入蒸氣池并沿著ｚ軸傳播以被放大。??ｙ??／?Ｐｕｍｐ?ｂｅａｍｓ??一：—’??Ｗａｓｔｅ?ＯｏＣｉｔａｔｏｒ?ｇ６ｅ＜ｊ?ｂｅａｍ??：?Ｔ７－－ｒｒ－７?；?；?＾??＼?Ｐｕｍｐ?ｂｅａｍｓ??ｘ??圖２－２四端對稱泵浦堿金屬蒸氣激光放大器的結構簡圖??在橫向（ｘ，?ｙ）上，我們把蒸氣池分割為一個個Ａｘ?ｘ?４ｙ?ｘ?Ｌ的體積元，如圖??２－３所示。假設來自四個不同方向的泵浦光聚焦在蒸氣池的中心軸上，則每個體??積元都有四個方向的泵浦光功率（Ｐ／、＆＿、Ｐｙ＋和Ｐｆ）。??Ｐ＾？．ｙＡ）?Ｓ?〇?ｓ?Ｐ；（？，ｙ．Ａ．）?〇??Ｔ＊Ｉ?Ｔ？Ｉｌ??ＣｗＳ—６—（?－ｒ－Ｓ?＼１Ｔ?Ｔ?Ｋｌｌｉｎ＂５??⑷?（ｂ）??ｙ?ｖ?ｙ丨??圖２－３蒸氣池分割示意圖（１／４橫截面）。黑色粗線是泵浦光的當前位置，而灰??色線是它們之前的位置。（ａ）表示只考慮兩個垂直方向泵浦光；（ｂ）表示考慮全??部四個方向的泵浦光??１３??
【參考文獻】

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1 任國光;伊煒偉;齊予;黃吉金;屈長虹;;美國戰(zhàn)區(qū)和戰(zhàn)略無人機載激光武器[J];激光與光電子學進展;2017年10期

本文編號：2860544