激光二極管泵浦Yb-YAG-Cr-YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器的性能研究.pdf

1、室溫下運(yùn)行的大能量、高峰值功率的脈沖激光器被廣泛的應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)、激光微加工、高效地非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換、激光點(diǎn)火、遠(yuǎn)距離測量等領(lǐng)域。為了獲得室溫下高效運(yùn)行的小型化大能量高峰值功率的脈沖激光器，本文采用Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體作為工作物質(zhì)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)LD泵浦的Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器獲得高效高峰值功率進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　首先本文對(duì)文中所用到材料其各方面的特性進(jìn)行了分析，并對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)連

2、續(xù)泵浦方式在Yb∶YAG/Cr∶YAG被動(dòng)調(diào)Q激光器中的優(yōu)勢做了簡單介紹。緊接著又對(duì)國內(nèi)外Yb∶YAG/Cr∶YAG被動(dòng)調(diào)Q激光器的研究現(xiàn)狀做了簡單的介紹與總結(jié)。
　　其次，在理論計(jì)算方面，利用速率方程、熱擴(kuò)散方程和激光橫模尺寸對(duì)LD泵浦的Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器的激光性能進(jìn)行了理論計(jì)算。第一，利用準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb∶YAG微片激光器的速率方程獲得了Yb∶YAG微片激光器光光轉(zhuǎn)換效率與泵浦峰值、泵浦脈寬和溫

3、度的關(guān)系;同時(shí)結(jié)合LD端面泵浦Yb∶YAG微片激光器中Yb∶YAG晶體內(nèi)的瞬態(tài)熱擴(kuò)散方程，研究了泵浦重復(fù)頻率、泵浦脈寬、泵浦峰值功率與Yb∶YAG晶體中的溫度變化關(guān)系，最終為分析泵浦重復(fù)頻率、泵浦脈寬、泵浦峰值功率對(duì)準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb∶YAG微片激光器的光光轉(zhuǎn)換效率的影響以及進(jìn)一步分析泵浦重復(fù)頻率、泵浦脈寬、泵浦峰值功率對(duì)準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器的激光性能給出了參考依據(jù)。第二，利用考慮空間分布的被動(dòng)

4、調(diào)Q速率方程，研究了激光橫模尺寸、泵浦光斑大小、溫度、損耗等因素對(duì)Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器調(diào)Q脈沖特性的影響。利用LD端面泵浦Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器的熱擴(kuò)散方程以及光傳輸矩陣，分析了Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體動(dòng)調(diào)Q激光器的熱透鏡效應(yīng)并對(duì)平平腔結(jié)構(gòu)的激光橫模尺寸進(jìn)行了計(jì)算。為LD端面泵浦Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)給予了理論指導(dǎo)。
　　在連續(xù)LD

5、泵浦的條件下，對(duì)LD泵浦Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用平凹腔結(jié)構(gòu)，Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體(Yb∶YAG晶體厚1.2 mm，摻雜濃度10at.％; Cr∶YAG厚0.5 mm，初始透過率90％)作為工作物質(zhì)，首次在Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器中實(shí)現(xiàn)了光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)36.2％的激光輸出，吸收泵浦功率4.84W時(shí)輸出最大平均輸出功率為1.75 W。除此之外，在該組實(shí)驗(yàn)中還

6、對(duì)比了Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器和Yb∶YAG/Cr∶YAG分立晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器的輸出特性，以及不同輸出耦合率和不同初始透過率時(shí)Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器的輸出特性。研究結(jié)果表明，Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體在被動(dòng)調(diào)Q激光器獲得高效、高峰值功率方面具有明顯的優(yōu)勢。緊接著，為了獲得高效運(yùn)行的小型化高峰值脈沖激光器，采用高亮度單管LD泵浦和復(fù)合微片結(jié)構(gòu)首次獲得了光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)41％的Yb

7、∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體微片被動(dòng)調(diào)Q激光器的激光輸出。同時(shí)研究了腔長、初始透過率對(duì)Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體微片被動(dòng)調(diào)Q激光器激光性能的影響，獲得了脈寬為0.46ns，脈沖峰值功率高達(dá)91kW的脈沖輸出。
　　利用準(zhǔn)連續(xù)LD作為泵浦源，對(duì)Yb∶YAG微片激光器、Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首次系統(tǒng)的研究了準(zhǔn)連續(xù)泵浦條件（泵浦脈沖寬度、泵浦脈沖重復(fù)率和泵浦峰值）對(duì)Yb∶YAG微片激光

8、器和Yb∶YAG/Cr4+∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器激光性能的影響。獲得了準(zhǔn)連續(xù)LD泵浦Yb∶YAG/Cr∶YAG復(fù)合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光器實(shí)現(xiàn)高峰值功率、高效激光輸出的合適的泵浦參數(shù)。最終采用初始透過率為70％的Yb∶YAG/Cr4+∶YAG復(fù)合晶體作為工作介質(zhì)，首次實(shí)現(xiàn)了光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)22％，脈沖峰值功率1.08 MW的激光輸出。為基于Yb∶YAG/Cr4+∶YAG復(fù)合晶體的被動(dòng)調(diào)Q激光器在激光火花塞和高效非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用奠