工業(yè)用大功率固體激光器技術(shù)研究.pdf

1、本文對工業(yè)用大功率固體激光器的光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)進行了研究和探討。詳細(xì)分析了單元模塊激光器中影響激光輸出功率和光束質(zhì)量的因素，多棒串接大功率固體激光器諧振腔的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)區(qū)范圍以及熱焦距對穩(wěn)區(qū)范圍影響。介紹了單元模塊激光器、多棒串接大功率固體激光器的實驗研究結(jié)果和參數(shù)。 首先根據(jù)大功率Nd：YAG固體激光器應(yīng)用的要求，通過對幾種大功率燈泵浦 Nd：YAG激光器系統(tǒng)技術(shù)方案進行分析，給出了Nd：YAG激光器單元模塊的具體設(shè)計方案；分析了千瓦

2、級Nd：YAG激光的實現(xiàn)方法，給出了采用多棒串接對稱平平腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大功率輸出的技術(shù)方案。 對單元模塊激光器的熱效應(yīng)進行了分析，理論計算結(jié)果表明在擬定的工作條件下，最大應(yīng)力小于晶體的破壞閾值的75％，激光棒的應(yīng)力不會超過晶體的破壞閾值，不會因應(yīng)力引起激光棒炸裂；對聚光腔的聚光效率進行了分析，計算結(jié)果表明漫反射腔比雙橢圓鏡面聚光腔的傳輸效率低13％左右，在漫反射腔反射率大于97％時，綜合考慮泵浦光在激光棒內(nèi)盡可能均勻分布和聚光腔傳輸

3、效率兩方面，漫反射緊包腔有利；對漫反射緊包聚光腔泵浦光在激光棒內(nèi)的分布進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果和實驗測量結(jié)果表明：對于摻雜濃度為0.8％的棒泵浦能分布基本上是很均勻的，對于摻雜濃度為1％的棒，棒中心泵浦能量密度比邊緣低，模擬結(jié)果和實驗測量結(jié)果吻合。 提出了一種利用激光器的臨界工作點測量激光棒橫向和切向熱焦距的新方法，即利用平行平面諧振腔的臨界穩(wěn)定點是對增益介質(zhì)的熱透鏡敏感的函數(shù)，通過監(jiān)測激光輸出功率，記錄由于有效熱焦距使諧振腔通

4、過特殊臨界穩(wěn)定的點特性，可以確定有效熱焦距。測量方法簡單方便僅需一功率計，尤其適用于大功率激光器。 提出并研究了激光棒縱向濃度梯度對激光器性能的影響，實驗結(jié)果表明棒的縱向濃度梯度小于0.3時，對發(fā)散角、輸出功率以及光束質(zhì)量的影響不大。 對激光器單元模塊的最佳工作方式進行實驗了研究。通過實驗確定了單元模塊激光器的最佳透過率、最穩(wěn)定光學(xué)腔、冷卻水溫度等參數(shù)，得到最大輸出功率為647W，對光束質(zhì)量的測量結(jié)果為22mm*mrad

5、，在正常工作即輸出功率為500W左右時的不穩(wěn)定度為2％。對雙棒、三棒及四棒串接諧振腔的放置方式、穩(wěn)區(qū)范圍以及熱焦距對穩(wěn)區(qū)范圍影響進行了研究。研究結(jié)果表明當(dāng)兩端Nd：YAG晶體棒主面到兩腔鏡的距離相等，各晶體棒主面間距離也相等，且等于Nd：YAG晶體棒主面到腔鏡的距離的2倍時，隨著泵浦功率的增加，熱焦距f從∞→0.50d，當(dāng)f<0.50d時，諧振腔工作曲線除經(jīng)過幾個臨界點外都工作在穩(wěn)定區(qū)。 對多棒串接的最佳工作方式進行實驗了研究。

6、采取調(diào)整泵浦功率的方法對多棒串接熱焦距不匹配進行補償，結(jié)論為：(1)實現(xiàn)雙棒串接最大激光輸出功率為1175W，總效率3.8％；當(dāng)激光器輸出為1030w時測量出光束質(zhì)量為21 mm*mrad。(2)實現(xiàn)泵浦功率為48kW三棒串接最大激光輸出功率為1820W，總效率3.8％；當(dāng)激光器輸出為1588W時光束質(zhì)量為21 mm*mrad。(3)實現(xiàn)激光器輸出功率達到2105W，總的電光轉(zhuǎn)換效率為3.5％；在1980W功率輸出時，運行6小時，功率起