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大功率固体激光器的设计和研究

作　者: 牟达名
导　师: 姚勇；牛增强
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: Nd:YAG激光器 谐振腔 热效应
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


固体激光器具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑、便于光纤耦合等优点,广泛应用于材料加工,科学研究和国防军事等领域。随着固体激光器应领域的不断扩展,人们对大功率,高光束质量的固体激光器的需求越来越大。本文结合作者在企业研发大功率灯泵Nd:YAG激光器的实际经历,对大功率固体激光器的若干热点问题进行了研究。本文首先结合实际工作讨论了灯泵Nd:YAG激光器若干重要部件的选择和设计。灯泵固体激光器的理论已经很成熟,我们所要设计的激光器只是要求单次脉冲的能量尽量大(125J以上),符合激光加工行业的要求即可,对模式、光束质量等并没有特别要求,所以我们的工作集中在对激光器的基本部件的研究。我们首先设计了适合我们使用并有高聚光效率的聚光腔;然后通过对比实验筛选了激光棒、氙灯和出射镜等光学器件;最后对谐振腔腔长、冷却水温度等参数进行了优化,从而得到了符合我们要求的固体激光器。我们最终的产品实现了600瓦高功率运转,单次脉冲最大能量为125J,整机电光转化效率3%以上,实现了批量生产的要求。在实际工作中,我们发现激光谐振腔和介质热效应在大功率固体激光器工作中影响很大,所以本文针对这两方面做了一些工作。分析谐振腔的理论主要是积分衍射理论和光学传输矩阵理论,我们为了更好的描述高斯光束在谐振腔内的能量分布,通过Simulink模拟软件建立了高斯光束的仿真系统,通过该系统,可以仿真出不同腔型(不同的腔长和腔镜焦半径)下高斯光束的形状,本系统可以提高谐振腔设计的效率;热效应是制约固体激光器高功率运转的主要瓶颈,虽然采用热容方式工作的激光器能改善热效应带来的不良影响,但始终不能彻底解决这一问题。我们通过有限元法对激光介质内的热现象进行了简要分析,然后使用有限元分析软件ANSYS搭建了激光棒热分析模型,通过该模型,可以仿真出不同泵浦功率和不同冷却条件下激光棒内部的温度云图和应力云图。这种分析激光介质热效应的方法同样可以应用于气体激光器和半导体激光器等。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题来源和意义  9
  1.2 国内外研究情况  9-16
    1.2.1 固体激光器的发展历史  9-10
    1.2.2 高功率灯泵浦固体激光器的研究  10-11
    1.2.3 光学谐振腔的研究  11-13
    1.2.4 激光介质热效应的研究  13-16
  1.3 本文的主要工作  16-17
第2章 固体激光器重要部件的优化  17-33
  2.1 引言  17
  2.2 氙灯  17-23
    2.2.1 氙灯简介  17-18
    2.2.2 氙灯光学特征  18-20
    2.2.3 脉冲氙灯的电学性质  20
    2.2.4 脉冲氙灯的效率  20-21
    2.2.5 脉冲氙灯的寿命  21-22
    2.2.6 和氙灯有关的实验  22-23
  2.3 有关Nd：YAG 激光棒  23-27
    2.3.1 Nd：YAG 简介  23-25
    2.3.2 有关激光棒的实验  25-27
  2.4 聚光腔的设计  27-32
    2.4.1 聚光腔简介  27-29
    2.4.2 腔壁内表面材料的选择  29-30
    2.4.3 聚光腔的设计  30-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章 谐振腔内光强分布的仿真  33-46
  3.1 引言  33
  3.2 传输矩阵理论  33-39
  3.3 光强仿真系统创建  39-45
    3.3.1 Simulink 简介  39
    3.3.2 高斯光束的表达式  39-41
    3.3.3 仿真系统的创建  41-44
    3.3.4 光强仿真系统应用  44-45
  3.4 本章小结和不足  45-46
第4章 激光介质热效应的有限元分析  46-57
  4.1 引言  46
  4.2 温度场问题的描述与求解  46-51
    4.2.1 热传递的几种方式  46-47
    4.2.2 温度场的基本描述  47-49
    4.2.3 温度场问题的求解  49-51
  4.3 激光棒内热分布仿真系统的创建  51-56
    4.3.1 ANSYS 简介  52
    4.3.2 仿真系统的创建  52-55
    4.3.3 仿真结果分析  55-56
  4.4 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-63
致谢  63

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光器
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