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LD阵列端面泵浦Tm：YLF板条激光器的研究

作　者: 赵凯
导　师: 申作春
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 高功率固体激光器 LD阵列 Tm:YLF 1.9μm激光
分类号: TN248.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

Tm³⁺激光系统泵浦的Ho³⁺激光系统是高效的2μm激光源，被广泛应用于医学、遥感、军事和机械加工等领域。使用LD阵列泵浦单晶体掺Tm³⁺激光器可减小体积，优化结构，因此研究高功率1.9μm单晶体掺Tm³⁺激光系统具有重要的应用价值和实际意义。本论文以用LD阵列泵浦1.9μm Tm:YLF激光器获得大功率激光输出为研究内容，从理论和实验上对于其进行了研究。基于Tm³⁺系统的能级结构，详细分析了其辐射跃迁机理，根据Tm:YLF的吸收谱与发射谱计算了Tm:YLF的增益截面，给出了有效增益截面计算的表达式。对晶体不同偏振下的输出波长进行分析，对于在1.908μm附近有较大发射截面的σ偏振输出，确定了采用体光栅加F-P标准具限制波长的方法，从而避免了1908nm附近的水吸收峰。根据泵浦光没有固定模式的特点，将泵浦光近似为平顶光，建立了以平面波分析为基础的激光模型，给出了激光器稳定运转下的相关物理量的表达式，并对主要功率转化途径进行了讨论，给出了计算公式，进行了模拟和计算，为实验提供了依据。晶体热效应是制约Tm:YLF固体激光器提高功率的重要因素，因此着重讨论了晶体内部热效应的产生原因量子缺陷和上转换效应。建立了平顶光束下的板条晶体热模型，对晶体内部温度分布和应力分布进行模拟计算，对不同泵浦光斑尺寸下晶体的热效应进行分析。通过模拟分析，证明了LD阵列端面泵浦板条晶体的形式更有利于缓解热效应，同时也为后续实验设计提供了依据。泵浦光快轴方向准直聚焦下，该方向的泵浦光强度可近似等效为高斯光束，根据光束变换原理设计了对于LD阵列泵浦光的聚焦整形系统。采用快轴方向匹配的方法，泵浦激光光斑比为1.5，对应设计了一个平凹腔。设计了单端单程、单端双程和双端泵浦三种形式，设计了谐振腔并优化了激光器参数。采用1.5×12×20mm³Tm（2.5at.%）:YLF板条晶体，泵浦光斑约为5×1mm²，体光栅加F-P标准具限制波长的方式，在最终双端泵浦下泵浦功率为449W时，获得了功率115W波长1.908μm窄线宽激光的稳定输出，斜率效率为30.5%，晶体完好。标准具的作用下，慢轴方向光束质量得到了明显改善，100W输出激光功率时该方向M2因子为58.42，快轴方向仅为1.62。LD阵列端面泵浦Tm:YLF板条晶体输出激光光斑截面为椭圆形，在长轴和短轴方向为不同的高斯型，根据高斯光束变换原理，对输出1.908μm光束变换提供了初步讨论，给出了一种用柱透镜对两个方向分别整形的方法。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-22
  1.1 课题的研究背景及意义  8-10
  1.2 Tm~(3+)激光源的发展现状  10-21
    1.2.1 光纤激光器的研究情况  11-12
    1.2.2 棒状或块状掺 Tm 激光器的研究情况  12-17
    1.2.3 端面泵浦 Tm YLF 板条激光器的发展状况  17-21
  1.3 本论文研究的主要内容  21-22
第2章 Tm YLF 晶体特性和理论分析  22-33
  2.1 Tm~(3+)系统的能级结构  22-23
  2.2 YLF 晶体的物理特性  23-24
  2.3 Tm YLF 晶体的光谱特性分析  24-25
  2.4 Tm YLF 板条激光器平面波模型的理论分析  25-31
    2.4.1 单程吸收  26-27
    2.4.2 激发速率  27
    2.4.3 单程发射  27-28
    2.4.4 退激发速率  28-29
    2.4.5 稳态运行方程  29
    2.4.6 阈值激发粒子数方程  29-30
    2.4.7 主要的功率转化途径  30-31
  2.5 平面波模型下的模拟计算  31-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章 Tm YLF 的热效应分析  33-43
  3.1 晶体的热效应的产生  33
  3.2 晶体热模型的建立  33-36
    3.2.1 晶体温度分布模型  34-36
    3.2.2 晶体应力分布模型  36
  3.3 基于模型的晶体内部热分析  36-42
    3.3.1 晶体内温度分布分析  36-40
    3.3.2 晶体内应力分布分析  40-42
  3.4 本章小结  42-43
第4章 LD 阵列端面泵浦 Tm YLF 板条激光器的实验研究  43-63
  4.1 激光器聚焦系统的设计研究  43-49
    4.1.1 LD 阵列简介  43-45
    4.1.2 聚焦系统设计  45-49
  4.2 谐振腔的设计  49-50
  4.3 单端泵浦 Tm YLF 板条激光器的实验研究  50-56
    4.3.1 实验装置的介绍  50-51
    4.3.2 聚焦系统的优化实验  51-53
    4.3.3 谐振腔的优化实验  53-56
  4.4 单端双程泵浦 Tm YLF 板条激光器的实验研究  56-58
  4.5 双端泵浦 Tm YLF 板条激光器的实验研究  58-62
  4.6 本章小结  62-63
结论  63-65
参考文献  65-72
攻读学位期间发表的学术论文  72-74
致谢  74

LD阵列端面泵浦Tm：YLF板条激光器的研究

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