發(fā)布時(shí)間：2017-09-30 06:21

  本文關(guān)鍵詞：LD泵浦銫蒸汽激光器的理論建模與工作特性研究

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【摘要】：近年來,堿金屬蒸汽激光器因涵蓋了藍(lán)光和近、中紅外等多波段的激光譜線輸出而受到越來越多的關(guān)注,其中具備高功率輸出潛力的半導(dǎo)體泵浦堿金屬蒸汽激光器(Diode-pumped alkila vapor laser,DPAL)尤其得到研究人員的深入研究。DPAL在堿金屬原子的D2線上進(jìn)行泵浦抽運(yùn)(n2S1/2→n2P3/2),在D1線上實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射(n2P1/2→n2S1/2),輸出波長位于近紅外波段(Cs,894.6 nm;Rb,795.0 nm;K,770.0 nm),該機(jī)制下的DPAL具有極高的量子效率(Cs,95.2%;Rb,98.1%;K,99.5%)。DPAL具有熱效應(yīng)小、光束質(zhì)量好和結(jié)構(gòu)緊湊體積小等特點(diǎn),屬于半導(dǎo)體泵浦的氣體激光器。基于這些優(yōu)點(diǎn),DPAL是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母吖β始す馄?而國外也已于近期實(shí)現(xiàn)了千瓦級的連續(xù)銫激光輸出,有望在激光加工、航空航天、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、國防軍事等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。鑒于此,本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對銫DPAL開展了研究,主要包括以下內(nèi)容:1、在DPAL的理論建模中,采用速率方程理論,在考慮堿金屬原子D2線的碰撞展寬效應(yīng)和實(shí)際LD輸出的高斯譜線線型的情況下,引入有效泵浦光強(qiáng)建立了端面連續(xù)泵浦DPAL的理論模型,利用不動(dòng)點(diǎn)迭代算法對該模型進(jìn)行了快速求解,后期實(shí)驗(yàn)證明該模型在一定程度上是合理的;并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建立了脈沖泵浦DPAL的理論模型。2、在連續(xù)DPAL的理論分析中,首先以銫DPAL為例分析了激光器在小信號增益建立、增益飽和、穩(wěn)定振蕩這三個(gè)狀態(tài)下的各能級粒子數(shù)密度隨光強(qiáng)的演化特性、以及增益和吸收特性,結(jié)果表明在激光建立過程中,有效泵浦光強(qiáng)和增益系數(shù)逐漸由小信號值減小,而吸收系數(shù)則由小信號值逐漸增大,最后三者同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí),深入分析了銫DPAL的閾值問題,包括運(yùn)行溫度、增益長度、受激輻射截面和精細(xì)結(jié)構(gòu)弛豫速率的臨界值情況,以及閾值泵浦光強(qiáng),結(jié)果表明DPAL的最低運(yùn)行溫度、最短增益長度、最小受激輻射截面和最慢精細(xì)結(jié)構(gòu)弛豫速率彼此相互制約。此外,模擬了銫DPAL的連續(xù)輸出工作特性,并同時(shí)優(yōu)化了運(yùn)行溫度、緩沖氣體(氦氣和乙烷)壓強(qiáng)、輸出鏡反射率等關(guān)鍵參量。最后,對無烴銣DPAL和無烴鉀DPAL的工作特性進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明無烴鉀DPAL的熒光輻射更少、增益更高、閾值泵浦功率更低。3、在脈沖DPAL的理論分析中:以銫DPAL為例模擬了其各能級粒子數(shù)密度隨時(shí)間的演化過程,分析了銫DPAL的弛豫振蕩現(xiàn)象,結(jié)果表明銫DPAL能形成脈寬極窄(ps級)、峰值功率較高的主尖峰,利用該特性可以對銫DPAL進(jìn)行增益調(diào)制來獲得峰值功率較高、時(shí)間分辨率較好的激光脈沖,即增益開關(guān)型脈沖銫DPAL;計(jì)算了增益開關(guān)型脈沖銫DPAL的峰值功率、脈寬等參量,結(jié)果表明優(yōu)化輸出鏡反射率和運(yùn)行溫度、同時(shí)盡量縮短腔長,可以進(jìn)一步壓縮脈寬并提高峰值功率。4、設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展了對連續(xù)泵浦和脈沖準(zhǔn)連續(xù)泵浦銫DPAL的實(shí)驗(yàn)研究。在連續(xù)泵浦模式下,對銫DPAL的輸出鏡反射率和準(zhǔn)直透鏡焦距進(jìn)行了優(yōu)化,分析了運(yùn)行溫度等參量對激光器輸出性能的影響,最終獲得了波長894.57 nm、線寬0.032nm的基橫模銫激光輸出,最大連續(xù)輸出功率為1.74 W、最大斜效率為29.15%、最大光光效率為24%;在脈沖準(zhǔn)連續(xù)泵浦模式下,對銫DPAL的峰值功率和斜效率進(jìn)行了研究,分析了熱效應(yīng),并測量了激光波形和脈寬,最終獲得了最大峰值功率為3 W、最大斜效率為24.2%、最大光光效率為20.53%的銫激光輸出。
【關(guān)鍵詞】：半導(dǎo)體泵浦氣體激光器 堿金屬蒸汽激光器 半導(dǎo)體泵浦銫蒸汽激光器 理論模型 激光工作特性 增益開關(guān)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目錄9-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 研究背景與意義13-16
• 1.2 DPAL的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀16-24
• 1.3 本文的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排24-27
• 1.3.1 研究內(nèi)容24-25
• 1.3.2 論文結(jié)構(gòu)安排25-27
• 第2章 銫基本性質(zhì)、堿金屬蒸汽激光器運(yùn)行條件及關(guān)鍵技術(shù)27-47
• 2.1 銫的基本性質(zhì)27-31
• 2.1.1 物理性質(zhì)27-29
• 2.1.2 能級結(jié)構(gòu)及光譜性質(zhì)29-31
• 2.2 銫原子的泵浦發(fā)光機(jī)制和DPAL的運(yùn)行條件31-35
• 2.2.1 銫原子的泵浦發(fā)光機(jī)制31-34
• 2.2.2 DPAL運(yùn)行條件34-35
• 2.3 DPAL關(guān)鍵技術(shù)35-45
• 2.3.1 原子吸收譜與泵浦源發(fā)射譜的光譜匹配35-39
• 2.3.2 堿金屬原子在精細(xì)結(jié)構(gòu)能級間的快速弛豫39-41
• 2.3.3 泵浦耦合技術(shù)41-43
• 2.3.4 蒸汽池的熱管理43-45
• 2.4 本章小結(jié)45-47
• 第3章 連續(xù)泵浦堿金屬蒸汽激光器理論建模47-65
• 3.1 端面泵浦DPAL速率方程和有效泵浦光強(qiáng)47-52
• 3.1.1 速率方程47-50
• 3.1.2 有效泵浦光強(qiáng)50-52
• 3.2 各能級粒子數(shù)密度52-58
• 3.2.1 小信號增益建立時(shí)的各能級粒子數(shù)密度52-55
• 3.2.2 增益飽和過程中的各能級粒子數(shù)密度55-56
• 3.2.3 穩(wěn)定振蕩時(shí)的各能級粒子數(shù)密度56-58
• 3.3 有效激光光強(qiáng)和輸出激光光強(qiáng)58-62
• 3.3.1 有效激光光強(qiáng)58-60
• 3.3.2 輸出激光光強(qiáng)60-62
• 3.4 模型的數(shù)值求解算法62-63
• 3.5 本章小結(jié)63-65
• 第4章 連續(xù)泵浦堿金屬蒸汽激光器工作特性理論研究與分析65-95
• 4.1 端面連續(xù)泵浦銫DPAL增益和吸收特性65-72
• 4.1.1 小信號增益和吸收系數(shù)66-69
• 4.1.2 增益和吸收系數(shù)的飽和過程69-71
• 4.1.3 穩(wěn)定振蕩時(shí)的增益和吸收系數(shù)71-72
• 4.2 銫DPAL的閾值問題72-83
• 4.2.1 銫DPAL的閾值條件72-73
• 4.2.2 運(yùn)行參量的臨界值73-79
• 4.2.3 閾值泵浦光強(qiáng)79-83
• 4.3 銫DPAL的連續(xù)輸出特性和運(yùn)行參量優(yōu)化83-88
• 4.3.1 銫DPAL的連續(xù)輸出特性83-87
• 4.3.2 銫DPAL的運(yùn)行參量優(yōu)化87-88
• 4.4 無烴DPAL工作特性分析88-92
• 4.5 本章小結(jié)92-95
• 第5章LD連續(xù)泵浦銫蒸汽激光器實(shí)驗(yàn)研究95-117
• 5.1 端面泵浦銫DPAL實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)95-102
• 5.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理95-96
• 5.1.2 泵浦源、泵浦光耦合裝置和諧振腔96-98
• 5.1.3 增益裝置98-102
• 5.2 連續(xù)泵浦銫DPAL實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析102-112
• 5.2.1 銫DPAL的調(diào)試出光102-105
• 5.2.2 輸出功率、光光效率和斜效率105-106
• 5.2.3 最佳輸出鏡反射率106-107
• 5.2.4 準(zhǔn)直透鏡焦距的影響107-109
• 5.2.5 最低運(yùn)行溫度及溫度對效率的影響109-112
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算對比112-115
• 5.4 本章小結(jié)115-117
• 第6章 脈沖泵浦銫蒸汽激光器理論與實(shí)驗(yàn)研究117-135
• 6.1 脈沖泵浦銫DPAL理論模型117-122
• 6.1.1 脈沖泵浦銫DPAL速率方程117-119
• 6.1.2 銫DPAL的弛豫振蕩119-122
• 6.2 增益開關(guān)型脈沖銫DPAL工作特性122-126
• 6.2.1 泵浦作用時(shí)間123-124
• 6.2.2 輸出特性模擬及分析124-126
• 6.3 脈沖準(zhǔn)連續(xù)泵浦銫DPAL的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析126-133
• 6.3.1 脈沖泵浦對熱效應(yīng)的改善126-129
• 6.3.2 脈沖泵浦的斜效率和閾值泵浦功率129-130
• 6.3.3 銫激光波形及理論對比130-133
• 6.4 本章小結(jié)133-135
• 第7章 總結(jié)與展望135-139
• 7.1 論文總結(jié)135-137
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)137
• 7.3 研究展望137-139
• 參考文獻(xiàn)139-153
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況153-155
• 指導(dǎo)教師及作者簡介155-157
• 致謝157

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