高功率端面泵浦基模固體激光器及光纖相位共軛鏡改善光束質(zhì)量研究.pdf

1、本論文的主要內(nèi)容分為兩個(gè)部分：高功率端面泵浦基模固體激光器和大口徑錐度光纖相位共軛鏡及其在高重頻大能量MOPA激光系統(tǒng)中的應(yīng)用。
　　 端面泵浦結(jié)構(gòu)中，泵浦光采用會(huì)聚方式進(jìn)入晶體，因此在晶體中形成了嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)。本文第二章采用解析方法對(duì)晶體內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行求解，并通過(guò)計(jì)算光程差分布得到晶體熱透鏡焦距。分析了熱透鏡效應(yīng)對(duì)基模輸出功率的限制以及鍵合晶體在緩解晶體熱效應(yīng)方面所具有的優(yōu)勢(shì)。并通過(guò)實(shí)測(cè)熱透鏡焦距引出了晶體熱透鏡光焦度的

2、非線性變化效應(yīng)。
　　 泵浦耦合系統(tǒng)是端面泵浦方式中不可或缺的一部分，對(duì)泵浦光最后在晶體內(nèi)的束腰位置以及光斑半徑大小具有重要影響，我們通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算了泵浦耦合系統(tǒng)中各個(gè)參量對(duì)其最終的成像位置以及光斑半徑的影響，對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)工作具有重要指導(dǎo)意義。
　　 能量傳遞上轉(zhuǎn)換(ETU)效應(yīng)作為一種光譜損耗機(jī)制，對(duì)強(qiáng)泵浦條件下的激光晶體具有重要影響。本文第三章對(duì)不考慮ETU效應(yīng)和考慮ETU效應(yīng)的端面泵浦固體激光器的速率方程理論進(jìn)行

3、了對(duì)比分析，指出ETU效應(yīng)能夠?qū)е戮w上能級(jí)壽命的縮短、上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的減少、激光器閾值的提升以及熱轉(zhuǎn)換系數(shù)的增大。將ETU效應(yīng)與激光晶體內(nèi)基模光斑半徑隨泵浦功率的變化關(guān)系綜合考慮，解釋了由ETU效應(yīng)導(dǎo)致的激光晶體熱透鏡光焦度的非線性變化效應(yīng)。最后指出通過(guò)選用大泵浦光斑和低摻雜的晶體可以有效地緩解ETU效應(yīng)，獲得更好的激光器輸出性能。
　　 諧振腔作為將泵浦源和激光增益介質(zhì)聯(lián)系在一起的紐帶，對(duì)基模輸出功率和效率具有重要的影響。

4、因此，本文第四章的第一部分在對(duì)熱透鏡腔和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定腔的基本理論進(jìn)行闡述后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)工作，著重對(duì)平平非對(duì)稱(chēng)腔兩臂長(zhǎng)的作用、腔鏡曲率的作用以及腔內(nèi)補(bǔ)償透鏡的作用進(jìn)行了分析。在第二部分中，重點(diǎn)闡述了球差效應(yīng)的形成過(guò)程、度量方法及其對(duì)諧振腔輸出激光光束質(zhì)量的影響、對(duì)諧振腔本征模的影響、對(duì)最大泵浦功率的限制、對(duì)頻率簡(jiǎn)并的影響等，并對(duì)球差效應(yīng)的補(bǔ)償和規(guī)避方法進(jìn)行了歸納。第三部分中，我們?cè)诜治銮虿钚?yīng)對(duì)諧振腔穩(wěn)定區(qū)影響后，發(fā)現(xiàn)雖然它對(duì)對(duì)稱(chēng)平平腔僅影響穩(wěn)

5、定區(qū)的后沿，但是對(duì)非對(duì)稱(chēng)平平腔，則主要影響其穩(wěn)定區(qū)Ⅰ的前沿，這樣就會(huì)造成不同階次橫模穩(wěn)定區(qū)的分離，所以我們提出了一種基于“熱透鏡球差效應(yīng)+非對(duì)稱(chēng)平平諧振腔”致使不同橫模穩(wěn)定區(qū)分離的橫模選擇機(jī)制，這也是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用端面泵浦固體激光器獲得高功率基模激光輸出的理論前提。
　　 基于以上的理論分析，在實(shí)驗(yàn)上制備了：①、基于雙端泵浦Nd：GdVO4晶體的36W基模固體激光器；②、基于雙端泵浦尺寸為3×3×(2+11+2)mm3的Nd：

6、YVO4復(fù)合晶體的30W量級(jí)基模固體激光器，另外結(jié)合聲光調(diào)Q技術(shù)可以使其穩(wěn)定工作在200kHz重復(fù)頻率下；③、基于雙端泵浦尺寸為3×3×(2+16+2)mm3的Nd：YVO4復(fù)合晶體的50W量級(jí)基模固體激光器，結(jié)合聲光調(diào)Q技術(shù)可以使其穩(wěn)定工作在600kHz重復(fù)頻率下。
　　 優(yōu)質(zhì)基頻光源的獲得，為我們開(kāi)展非線性光學(xué)頻率變換方面的工作提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。作為應(yīng)用，我們對(duì)基于周期性疇極化反轉(zhuǎn)摻鎂鈮酸鋰(PPMgOLN)晶體的中紅外光學(xué)

7、參量振蕩器進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，在2.7μm和3.8μm波段均獲得了大于3 W的激光輸出，在4.3μm波段也獲得了小功率輸出。
　　 基于受激布里淵散射(SBS)的相位共軛鏡具有實(shí)時(shí)補(bǔ)償激光放大器熱畸變的功效。我們研制了一種可在高重復(fù)頻率(1000 Hz)、大脈沖能量(40 mJ)條件下穩(wěn)定工作的大口徑錐度光纖相位共軛鏡，并能達(dá)到最高70％的SBS反射率。實(shí)驗(yàn)研究了光纖端面質(zhì)量以及泵浦脈沖寬度對(duì)相位共軛鏡反射率的影響。對(duì)熔石英棒布里淵