本文關(guān)鍵詞：直接液體冷卻薄片激光器的研究　出處：《浙江大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,直接液體冷卻薄片激光器因其結(jié)構(gòu)緊湊,換熱能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)逐漸受到人們的重視。本論文主要按以下三部分內(nèi)容對(duì)其進(jìn)行研究：基于折射率匹配液和Nd：YLF晶體的直接液體冷卻薄片激光器千瓦量級(jí)輸出的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；直接液體冷卻薄片激光器的波前畸變研究；依據(jù)波前畸變特性及非穩(wěn)腔理論分析計(jì)算,研究并實(shí)現(xiàn)數(shù)焦耳量級(jí)高光束質(zhì)量激光輸出。本文首先分析了直接液體冷卻薄片激光器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。激光器中冷卻液選用了與增益介質(zhì)Nd:YLF折射率非常接近的匹配液。流道設(shè)計(jì)上,參考了低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了流道內(nèi)冷卻液的層流,同時(shí)介質(zhì)表面的對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到1000 W/(m2·K)以上。為使每片增益介質(zhì)的泵浦加載功率基本相同,介質(zhì)選用了摻雜濃度從0.36at.%到0.76.at%的不同Nd:YLF晶體,并且晶體的裝夾方式上采用了軟裝夾,經(jīng)計(jì)算,相比于硬裝夾,采用軟裝夾時(shí)增益模塊所能承受的最大泵浦功率是采用硬裝夾時(shí)的8倍。泵浦方式上,為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)采用端面泵浦,同時(shí)在端面泵浦耦合系統(tǒng)中加入金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)泵浦光的均勻泵浦。流速和流道厚度的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要,它們很大程度上決定了激光器所能承受的最大泵浦功率。采用10片a切割的Nd:YLF薄片,在流速5 m/s,流道厚度0.5 mm,泵浦功率5202 W時(shí),實(shí)現(xiàn)線偏振激光1120 W輸出,光光效率21.5%,斜率效率30.8%。據(jù)我們所知,這是首次采用折射率匹配液作為冷卻液,Nd:YLF薄片作為增益介質(zhì),實(shí)現(xiàn)的最高功率輸出的直接液體冷卻薄片激光器。非穩(wěn)腔的輸出功率和光束質(zhì)量受限于增益模塊的波前畸變,因此采用層流模型對(duì)直接液體冷卻薄片激光器的增益模塊進(jìn)行了熱分析。發(fā)現(xiàn)冷卻液的波前畸變占據(jù)模塊波前畸變的主導(dǎo)地位,波前畸變可通過光程差函數(shù)進(jìn)行表征,光程差函數(shù)可以精確的分解成勒讓德多項(xiàng)式,除了低階像差,模塊的高階像差也能通過勒讓德多項(xiàng)式的特定項(xiàng)表達(dá)出來。分析可知,模塊的高階像差主要由兩個(gè)原因造成,首先是冷卻液的冷卻不均勻,其次是由于增益介質(zhì)邊緣有一定的裝夾區(qū)域,并未實(shí)現(xiàn)全口徑泵浦。同時(shí),分析了模塊波前畸變的影響因素,研究發(fā)現(xiàn)采用均勻的泵浦,窄的流道,高速的流場(chǎng)能有效改善模塊波前畸變。最后構(gòu)建增益模塊波前畸變實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng),構(gòu)造了不同的泵浦光均勻性,不同的流速,不同功率等,對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果非常一致。在上述研究了波前畸變的基礎(chǔ)上,建立了非穩(wěn)腔的理論迭代模型,模型中同時(shí)考慮了模塊的波前畸變以及增益效應(yīng),獲得了非穩(wěn)腔的自再現(xiàn)模。分別計(jì)算了放大率為1.3的傳統(tǒng)非穩(wěn)腔以及幾何放大率為1.2,有效放大率為1.3的階梯反射率非穩(wěn)腔的自再現(xiàn)模。定義了非穩(wěn)腔輸出光的功率和光束質(zhì)量,預(yù)測(cè)了采用階梯非穩(wěn)腔獲得4.6 J,光束質(zhì)量因子β沿x軸和y軸方向分別為7和4的輸出。并指出采用階梯反射率非穩(wěn)腔能獲得更高的輸出功率和更低的出光閾值。實(shí)驗(yàn)中,選用了階梯反射率輸出鏡作為非穩(wěn)腔的腔鏡,在泵浦光脈寬500μs,單脈沖能量20 J時(shí),獲得激光輸出4J,脈寬450μs,重復(fù)頻率為250 Hz,光光效率為20%,同時(shí)輸出脈沖非常穩(wěn)定。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN248

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