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高亮度全固态激光器设计及连续波内腔中红外PPLN光参量振荡器研究

作　者: 张少敏
导　师: 丁欣
学　校: 天津大学
专　业: 物理电子学
关键词: 全固态热效应高亮度连续波中红外周期极化铌酸锂内腔光参量振荡器
分类号: TN752
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

大功率、高亮度全固态激光器因具有输出功率大,结构紧凑,光束质量好等优点,在军事上和工业上有广泛的应用前景,是固体激光技术研究中的热点。随着激光二极管技术的进步,采用相应波长的线宽很窄的激光二极管直接泵浦激光介质在很大程度上降低了激光介质的热沉积,对激光器的平稳、高效的运转更为有利,但是,热效应仍然是大功率高亮度全固态激光器运转的瓶颈。3～5μm中红外波在探测、大气监测、光谱分析和激光雷达等方面更是有其独特的优势。近年来,随着非线性晶体PPLN等的成熟及泵浦源的改进,利用光学参量振荡器的非线性频率变换技术获得3～5μm中红外光源引起了国内外科学家极大的兴趣。本论文主要通过热效应研究来设计高亮度全固态激光器和利用内腔OPO实现连续运转3.66～4.41μm中红外光源这两方面的工作,主要内容和创新点归纳如下:1.对二极管激光器端面和侧面泵浦的固体激光器中热效应的产生和对激光器性能的影响,热透镜焦距的测量方法,以及热效应的缓解和补偿进行了详细的理论研究和数值模拟,为大功率、高亮度全固态激光器谐振腔的设计奠定了理论基础;2.利用谐振腔稳定性探测法测量了侧面泵浦的Nd:YAG激光器的热透镜焦距。根据热透镜焦距径向切向的差异,绘制了不同腔长下热透镜处的振荡光斑半径与泵浦的U型曲线,并对之进行了详细的实验研究。研究表明,当激光器运行在切向分量的稳区边缘时输出功率最大,光束质量较好,从而实现了大功率高亮度全固态激光器运转;3.建立了泵浦光为多频时的连续内腔OPO的动力学模型,并对闲频光功率特性进行了理论分析和数值模拟,为实现腔内高功率密度和高的能量转换效率奠定基础;4.设计了连续运转3.66～4.41μm波的光参量振荡器,以LD端面泵浦的Nd:YVO₄激光器作为泵浦源,PPLN作为非线性晶体置于激光腔内,在国内首次实现了连续3.66～4.41μm波输出。在PPLN极化周期为28.5μm,工作温度为140°C条件下,LD功率为8.5W时,中红外3.86μm波的输出功率为155mW,光-光转换效率为1.82%。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章综述  8-17
  1.1 大功率、高亮度全固态激光器的研究意义和背景  8-12
    1.1.1 大功率、高亮度全固态激光器的研究意义  8-9
    1.1.2 大功率、高亮度全固态激光器的研究历程  9-11
    1.1.3 存在的问题及改进措施  11-12
  1.2 3～5μm 中红外光源的研究意义和国内外研究现状  12-16
    1.2.1 3～5μm 中红外光源的研究意义  12-13
    1.2.2 3～5μm 中红外光源的国内外研究现状  13-16
  1.3 论文的研究内容  16-17
第二章端面和侧面泵浦全固态激光器中的热效应研究  17-36
  2.1 端面泵浦固体激光器中的热效应  17-24
    2.1.1 端面泵浦固体激光棒内的温度分布  18-20
    2.1.2 端面泵浦固体激光棒的热透镜效应  20-21
    2.1.3 端面泵浦Nd:YVO_4 激光器的热透镜焦距  21-22
    2.1.4 端面泵浦Nd:YAG 激光器的热透镜焦距  22-24
  2.2 侧面泵浦固体激光器中的热效应  24-28
    2.2.1 侧面泵浦固体激光棒内的温度分布  24
    2.2.2 侧面泵浦固体激光棒内折射率的分布  24-25
    2.2.3 折射率随热应力的变化  25-26
    2.2.4 侧面泵浦固体激棒的热透镜焦距  26-28
  2.3 热透镜焦距的测量方法  28-31
    2.3.1 He-Ne 直接探测法  28-29
    2.3.2 谐振腔稳定性探测法  29-31
  2.4 热透镜焦距的实验研究  31-34
  2.5 热效应的缓解与补偿  34-36
第三章高亮度全固态激光器的腔模研究  36-46
  3.1 热透镜处基模光斑与泵浦光斑的匹配图解  36-37
  3.2 热透镜处基模光斑半径及其与热透镜焦距的关系  37-41
    3.2.1 紧贴和对称平直腔中热透镜处的基模光斑半径  38-39
    3.2.2 热透镜处基模光斑半径的实验研究  39-41
  3.3 双U 曲线的特性分析  41
  3.4 双U 曲线特性的实验研究  41-46
    3.4.1 输出功率与热透镜处基模光斑半径的关系曲线  42-43
    3.4.2 双U 曲线与M~2值的实验研究  43-46
第四章连续波内腔单谐振光学参量振荡器的理论研究  46-55
  4.1 连续波内腔单谐振光学参量振荡器的动力学模型  46-50
  4.2 连续波内腔单谐振光学参量振荡器的稳态功率特性研究  50-52
  4.3 连续波内腔单谐振光学参量振荡器的稳态功率优化  52-55
    4.3.1 闲频光稳态功率的优化  52-54
    4.3.2 信号光稳态功率的优化  54-55
第五章连续波3.66～4.41μm 中红外光源的实验研究  55-72
  5.1 连续波3.66～4.41μm 中红外激光泵浦源的选择  55-56
  5.2 非线性晶体PPLN 的特性  56-59
    5.2.1 PPLN-OPO 调谐理论  56-57
    5.2.2 PPLN-OPO 的温度调谐曲线  57-58
    5.2.3 PPLN-OPO 的周期调谐曲线  58-59
  5.3 连续波3.66～4.41μm 中红外光源的谐振腔设计  59-62
    5.3.1 折叠腔的图解分析  60-61
    5.3.2 折叠腔的设计  61-62
  5.4 连续波3.66～4.41μm 中红外光源的实验研究  62-72
    5.4.1 实验装置  62-63
    5.4.2 连续波内腔PPLN-OPO 的实验结果  63-67
    5.4.3 PPLN 极化周期为28.5μm 时的实验研究  67-69
    5.4.4 PPLN 极化周期为29μm 时的实验研究  69-70
    5.4.5 最佳实验结果及展望  70-72
全文总结  72-73
参考文献  73-81
发表论文和科研情况说明  81-82
致谢  82

高亮度全固态激光器设计及连续波内腔中红外PPLN光参量振荡器研究

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