直接液體冷卻薄片激光器的研究.pdf

1、近年來，直接液體冷卻薄片激光器因其結(jié)構(gòu)緊湊，換熱能力強等優(yōu)勢逐漸受到人們的重視。本論文主要按以下三部分內(nèi)容對其進行研究:基于折射率匹配液和Nd∶YLF晶體的直接液體冷卻薄片激光器千瓦量級輸出的設(shè)計和實現(xiàn);直接液體冷卻薄片激光器的波前畸變研究;依據(jù)波前畸變特性及非穩(wěn)腔理論分析計算，研究并實現(xiàn)數(shù)焦耳量級高光束質(zhì)量激光輸出。
　　本文首先分析了直接液體冷卻薄片激光器的設(shè)計要點。激光器中冷卻液選用了與增益介質(zhì)Nd∶YLF折射率非常接近的匹

2、配液。流道設(shè)計上，參考了低速風洞的設(shè)計，實現(xiàn)了流道內(nèi)冷卻液的層流，同時介質(zhì)表面的對流換熱系數(shù)達到1000 W/(m2·K)以上。為使每片增益介質(zhì)的泵浦加載功率基本相同，介質(zhì)選用了摻雜濃度從0.36at.％到0.76.at％的不同Nd∶YLF晶體，并且晶體的裝夾方式上采用了軟裝夾，經(jīng)計算，相比于硬裝夾，采用軟裝夾時增益模塊所能承受的最大泵浦功率是采用硬裝夾時的8倍。泵浦方式上，為簡化結(jié)構(gòu)采用端面泵浦，同時在端面泵浦耦合系統(tǒng)中加入金屬波導(dǎo)實

3、現(xiàn)泵浦光的均勻泵浦。流速和流道厚度的設(shè)計也至關(guān)重要，它們很大程度上決定了激光器所能承受的最大泵浦功率。采用10片a切割的Nd∶YLF薄片，在流速5m/s，流道厚度0.5 mm，泵浦功率5202W時，實現(xiàn)線偏振激光1120 W輸出，光光效率21.5％，斜率效率30.8％。據(jù)我們所知，這是首次采用折射率匹配液作為冷卻液，Nd∶YLF薄片作為增益介質(zhì)，實現(xiàn)的最高功率輸出的直接液體冷卻薄片激光器。
　　非穩(wěn)腔的輸出功率和光束質(zhì)量受限于增益

4、模塊的波前畸變，因此采用層流模型對直接液體冷卻薄片激光器的增益模塊進行了熱分析。發(fā)現(xiàn)冷卻液的波前畸變占據(jù)模塊波前畸變的主導(dǎo)地位，波前畸變可通過光程差函數(shù)進行表征，光程差函數(shù)可以精確的分解成勒讓德多項式，除了低階像差，模塊的高階像差也能通過勒讓德多項式的特定項表達出來。分析可知，模塊的高階像差主要由兩個原因造成，首先是冷卻液的冷卻不均勻，其次是由于增益介質(zhì)邊緣有一定的裝夾區(qū)域，并未實現(xiàn)全口徑泵浦。同時，分析了模塊波前畸變的影響因素，研究發(fā)

5、現(xiàn)采用均勻的泵浦，窄的流道，高速的流場能有效改善模塊波前畸變。最后構(gòu)建增益模塊波前畸變實驗測量系統(tǒng)，構(gòu)造了不同的泵浦光均勻性，不同的流速，不同功率等，對其進行實驗研究，實驗結(jié)果和理論計算結(jié)果非常一致。
　　在上述研究了波前畸變的基礎(chǔ)上，建立了非穩(wěn)腔的理論迭代模型，模型中同時考慮了模塊的波前畸變以及增益效應(yīng)，獲得了非穩(wěn)腔的自再現(xiàn)模。分別計算了放大率為1.3的傳統(tǒng)非穩(wěn)腔以及幾何放大率為1.2，有效放大率為1.3的階梯反射率非穩(wěn)腔的自再