碟片激光器中ASE效应的研究

论文摘要

碟片激光器是一种基于薄片状激光晶体的全固态激光器,可实现高转换效率、高光束质量、高峰值功率和大脉冲能量的激光运转。碟片激光器可以通过增加泵浦光斑尺寸的方法来提高输出功率。在大能量输出时,大面积的泵浦光斑会引起严重的ASE(amplified spontaneous emission)效应,导致激光的转换效率下降。为了有效的降低ASE效应,如何评估ASE效应成为了目前人们研究的热点问题之一。另一方面,ASE效应的另一个研究热点是其造成的生热特性。传输到碟片边缘的ASE光子会导致碟片激光器温度的升高以及转换效率的下降,甚至会对碟片晶体产生损坏。为了解决上述问题,本文进行了如下的研究工作。首先,本文运用P.Peterson提出的半解析方法,分析了碟片激光器中ASE光谱与ASE强度之间的关系,并从理论上提出了一种利用ASE光谱线宽来拟合有效上能级寿命的迭代算法。与此同时,为了修正重吸收效应对ASE光谱的影响,本文对ASE的重吸收效应进行了理论分析,得到了修正重吸收效应的方法,并通过实验进行了验证。随后,我们利用修正后的ASE光谱线宽得到了对应的有效上能级寿命。交叉检验的实验结果表明,修正后的光谱线宽可以准确的评估ASE效应的强度。为了更加准确的使用ASE光谱评估碟片激光器中的ASE效应,我们还对碟片激光器中ASE光子在空气中的角分布进行了分析。通过实验可以证明,对于边缘毛化的碟片晶体,其入射到空气中的ASE光子强度的角分布为均匀分布。由于目前商用的碟片晶体边缘均进行毛化处理,此研究结果表明,利用ASE光谱特性评估ASE强度时,可以不考虑测量角度对光谱的测量结果带来的影响。另一方面,通过对ASE光子空间分布的研究可以知道,大多数ASE光子会聚集到碟片的边缘。本文通过理论分析、有限元分析仿真等方法对传输到碟片边缘的ASE光子在碟片晶体中的生热过程进行了分析。随后,为了消除ASE效应引起的碟片边缘生热问题,我们对碟片晶体的侧面进行了倒角处理。实验结果表明,与倒角前相比,边缘倒角后的碟片晶体侧面温度降低了50%,光光转换效率提高了15%。由此可见,边缘倒角的方法可以有效的降低碟片边缘的ASE效应,从而达到降低碟片温度,提高光光转换效率的目的。最后,工程方面,我们利用倒角后的低ASE效应的碟片晶体,完成了脉冲碟片激光器的试验样机以及工程样机的研发工作。利用自主研发的泵浦模块、碟片晶体以及声光调Q模块实现了平均功率大于>300W,峰值功率>100k W,单脉冲能量～35m J的激光输出。综上所述,本文首先对碟片激光器内的ASE光谱特性进行了研究,分析了ASE强度、重吸收效应对ASE光谱特性的影响,以及ASE光子的空间分布特性,提出并验证了一种利用ASE光谱定量评估ASE效应的方法。随后,我们研究了碟片激光器中ASE效应导致的碟片边缘生热的产热机制,并利用边缘倒角的方法有效降低了边缘的ASE效应,最后利用边缘倒角后的碟片晶体实现了高功率碟片激光器工程样机的制备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.绪论
•   1.1 碟片激光器及其ASE效应的研究意义
•   1.2 碟片激光器及其ASE效应的研究现状
•     1.2.1 碟片激光器的研究现状
•     1.2.2 碟片激光器中ASE效应的研究现状
•   1.3 本论文的研究内容
• 2.碟片激光器中ASE光谱特性的研究
•   2.1 引言
•     2.1.1 ASE光谱特性的研究意义
•     2.1.2 本章主要的研究内容
•   2.2 碟片激光器中ASE光谱特性的理论分析
•     2.2.1 Yb:YAG晶体的能级结构
•     2.2.2 Yb:YAG碟片激光器ASE谱线的理论模型
•   2.3 碟片激光器中ASE光谱的数值模拟
•     2.3.1 Pump-probe模型下的ASE光谱数值模拟
•     2.3.2 碟片放大器中光谱特性的研究
•   2.4 ASE光谱性质的实验研究
•   2.5 本章小结
• 3.重吸收效应对ASE光谱的影响
•   3.1 引言
•     3.1.1 重吸收效应的研究意义
•     3.1.2 本章的研究内容
•   3.2 光谱重吸收中的理论工作
•     3.2.1 碟片激光器中重吸收问题的解析研究
•     3.2.2 重吸收问题的数值模拟
•   3.3 重吸收前后光谱测量的试验结果
•   3.4 重吸收效应的修正
•   3.5 利用光谱线宽评价ASE强度的方法
•     3.5.1 利用修正的光谱线宽计算有效上能级寿命
•     3.5.2 结果讨论
•   3.6 本章小结
• 4.ASE光谱的空间角分布特性
•   4.1 引言
•     4.1.1 空间ASE光子角分布的研究意义
•     4.1.2 本章主要的研究内容
•   4.2 碟片晶体中光子ASE效应与出射角度之间的理论模型
•   4.3 试验结果
•     4.3.1 实验装置
•     4.3.2 测量角度相同时,碟片不同位置处的光谱特性
•     4.3.3 碟片不同位置处发射的谱线随测量角度的变化
•   4.4 本章小结
• 5.ASE导致的碟片生热效应研究
•   5.1 引言
•     5.1.1 ASE产热问题的研究意义
•     5.1.2 本章研究内容
•   5.2 Yb:YAG碟片振荡器中ASE效应的实验研究
•     5.2.1 边缘未处理的Yb:YAG碟片晶体的实验研究
•     5.2.2 边缘倒角的Yb:YAG碟片晶体的实验研究
•     5.2.3 基于边缘倒角碟片的声光调Q实验研究
•   5.3 本章小结
• 6.总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈永骞

导师: 朱晓

关键词: 全固态激光器,碟片激光器,效应

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

基金: 国家重点研发计划,国家自然科学基金,中央高校基本科研专项资金

分类号: TN248

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004940

总页数: 133

文件大小: 31727k

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