LD端面泵浦固體激光器中晶體的熱效應(yīng)研究.pdf

1、本文以二極管端面泵浦固體激光器為研究對(duì)象，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究DPL在端面泵浦方式下激光晶體端面形變熱效應(yīng)。本文研究結(jié)果證實(shí)并發(fā)現(xiàn)當(dāng)大功率泵浦光進(jìn)入小面積晶體端面時(shí)，晶體中出現(xiàn)了熱效應(yīng)，其表現(xiàn)的晶體熱效應(yīng)包括三個(gè)部分：其一、主要是徑向溫度梯度引起折射率梯度，進(jìn)而出現(xiàn)的熱透鏡效應(yīng)，其二、激光晶體軸向熱膨脹引起端面形變，產(chǎn)生端面效應(yīng)，端面形變分為軸向伸長形變和凸起形變，其三、晶體材料形變產(chǎn)生的熱應(yīng)力雙折射。本文研究步驟為首先建立熱效應(yīng)理論模型

2、，采用差分法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)研究的手段研究影響激光器輸出特牲的因素。模擬晶體端面的溫度揚(yáng)，求出晶體緬的熱形變場(chǎng)。最后在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光器泵浦功率密度的增加，端面形變熱效應(yīng)相對(duì)于溫度梯度及其他因素在總熱透鏡效應(yīng)中所占比例越來越大，當(dāng)接近于激光晶體的飽和閾值和損傷閾值時(shí)，端面形變熱效應(yīng)的影響比溫度梯度和熱引力雙折射熱效應(yīng)的影響更大。端面形變研究成了大功率激光二極管泵浦固體激光器研究中的極為重要問題，本論文

3、首先意識(shí)到此問題研究的重要性，并從理論上進(jìn)行端面形變的計(jì)算和端面形變對(duì)端泵DPL性能的影響的計(jì)算，從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行端泵DPL端面形變的測(cè)量的研究。本論文還意識(shí)到泵浦光的不同空間分布也是引起不同的端面形變的原因，故討論了不同泵浦光空間分布下晶體的溫度場(chǎng)和形變場(chǎng)，并重點(diǎn)討論非高斯光也就是具有不同平頂度的平頂光光束泵浦下，會(huì)對(duì)DPL的閾值，斜效率和輸出功率所產(chǎn)生的影響。 本研究面臨的困難有三個(gè)方面，其一，端面泵浦DPL的端面形變研究，因泵

4、浦光耦合系統(tǒng)緊貼晶體端面，需設(shè)計(jì)恃定的耦合系統(tǒng)，讓參考光在不影響泵浦光耦合狀態(tài)下可以進(jìn)入晶體的端面并反射后進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)。本文采用單透鏡耦合系統(tǒng)，解決了此困難。其二，需提供高光束質(zhì)量的參考光，并需設(shè)計(jì)專門機(jī)構(gòu)使參考光能夠在狹窄的空間進(jìn)行掃描，而掃描的長度為4mm。其三，此比方面的理論研究不多和不夠深入。 所建的物理和理論模型滿足以下條件：在直角坐標(biāo)或柱坐標(biāo)下，將晶體端面置于xy面上，端面中心為坐標(biāo)系中心，z軸沿晶體的軸向，808m

5、 LD端泵浦激光晶體，兩端面絕熱，激光晶體側(cè)面置于通水冷卻的熱沉中，側(cè)面溫度恒定。滿足三雛熱傳導(dǎo)方程。 所采用的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為差分法，半解析法和有限元方法。 設(shè)計(jì)并采用的實(shí)驗(yàn)方法為干涉法和激光掃描法，測(cè)量晶體的端面形變。采用干涉法測(cè)量總熱透鏡焦距。并通過在不同泵浦及冷卻狀態(tài)下的熱透鏡的焦距變化對(duì)熱效應(yīng)進(jìn)行了研究。 本論文具有如下五個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)： 1)認(rèn)識(shí)到當(dāng)激光晶體受到高功率密度泵浦光泵浦時(shí)，熱效應(yīng)是影響激

6、光器性能參數(shù)的因素，它包括晶體內(nèi)端面形變，溫度梯度以及熱引力雙折射熱效應(yīng)。建立了理論漠型，研究了泵浦功率對(duì)端面形變產(chǎn)生影響和端面形變熱效應(yīng)對(duì)DPL振蕩光陛能的影響。此工作國內(nèi)外沒人做。 2)找到了測(cè)量端面泵浦Nd：YAG晶體的泵浦面形變場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)新方法一光束掃描法和干涉條紋法，該方法解決了端面泵浦Nd：YAG晶體的泵浦面形變場(chǎng)分布難以測(cè)量的問題，且易于實(shí)現(xiàn)和操作。(發(fā)表在中國激光2006年第五期)本文所述激光掃描法為讓參考光沿

7、晶體的端面小步距掃描，比較有無泵浦光時(shí)各掃描點(diǎn)在探測(cè)面上對(duì)應(yīng)光點(diǎn)的位置的移動(dòng)情況，通過幾何分析與數(shù)值計(jì)算，可逐段得到端面的形變場(chǎng)分布，將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在理想模型下所求解的結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值與理論值基本—致，晶體的端面形變場(chǎng)最大峰值處在泵浦光在端面的聚焦位置處。另外發(fā)現(xiàn)端面的形變場(chǎng)分布的對(duì)稱性受泵浦光對(duì)稱性影響，且曲線不光滑。 本文所述干涉法為讓參考光經(jīng)擴(kuò)束后打到晶體的端面，在晶體的端面上放置一塊光學(xué)玻璃，采用一維遮掩技術(shù)，遮擋

8、住光學(xué)玻璃前表面的反射光束，將晶體表面的反射光束與光學(xué)玻璃后表面的反射光束進(jìn)行干涉，通過測(cè)量其干涉條紋的移動(dòng)情況從而測(cè)出其端面形變。此方法測(cè)量精度高。且測(cè)量結(jié)果直觀，易于觀察，易于研究，為研究端面形變熱效應(yīng)研究大開了方便之門并能從實(shí)驗(yàn)上定一研究端面形變當(dāng)中的晶體的整體軸向伸長量和端面的彎曲伸長量。 3)提出了—種新的測(cè)量熱透鏡的方法——干涉條紋法，考慮到端泵結(jié)構(gòu)中，泵浦光耦合系統(tǒng)緊貝占DPL晶體端面，為此設(shè)計(jì)了專門結(jié)構(gòu)，讓參考光

9、從激光晶體的前端面進(jìn)入，并可以在晶體的后表面反射出去，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在晶體的前端面的反射光和晶體后表面的反射光發(fā)生了干涉現(xiàn)象，通過其條紋的移動(dòng)情況就可以精確測(cè)出其總的熱透鏡焦距。因?yàn)榇藭r(shí)的熱效應(yīng)是由于端面形變，溫度梯度和引力雙折射熱效應(yīng)所引起的，并且相互交織在一起的。通過理論估算與用此方法所測(cè)的熱透鏡焦距相比較，表明此方法所測(cè)熱透鏡焦距隨著泵浦光功率的增大而縮短，二者越來越吻合，驗(yàn)證了該方法的可靠性。此方法測(cè)量精度高。該方法解決了端泵Nd：Y

10、AG時(shí)，由溫度梯度，熱應(yīng)力雙折射和端面形變所引起的總的熱透鏡焦距難以測(cè)量的問題。 4)找到—種端泵DPL在出激光時(shí)在線測(cè)量熱透鏡焦距的方法。本文建立了熱透鏡等效腔模型透過求解得出腔內(nèi)光束束腰半徑然后用刀口法測(cè)出DPL腔外的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，結(jié)合光束的透鏡傳輸理論，給出測(cè)量端泵固體激光器熱透鏡焦距的—種實(shí)用可行的新方法．研究表明，通過上述方法所得結(jié)果與理論計(jì)算出熱透鏡焦距吻合，證實(shí)此方法準(zhǔn)確，可行。 5)提出了描述LD端面泵浦固