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1、中科院 C .海光机所, o f 究生毕业论文/ 2 0 0 5年k H z 高功率全固态激光器热效应特性研究马惠军导师:朱小磊摘要高 功率固 体激光器因其所 具有的 脉冲能量大、 峰值功率高、 结构紧凑、 牢固耐用、 易 于维护等优点而 倍受 人们关注。 同时， 由 于应用 需要人们对脉冲重复 频率的 要求越来 越高， 但是随着重复 频率的升高， 激光器 热效 应问题加剧， 影 响了激光器的工作效率。 本论文针对高功率、 高重复率固体激光器热效应问题进行了重点研究本论文属于国家 8 6 3高 技术计划机载激光测 深系 统专项课题的部介研究内容 论文 针时用于 机载测深的k H z 高 功率
2、全固 态激光器 的运转要求， 首先， 应用环绕侧向 抽运结构， 使得抽运均匀 性得到很好改孰 其次、叶 v d : Y A C 晶体的热透镜效应进行建模分析， 并使用矩阵分析方法对等效热透镜腔进行分析， 最后设计了激光器结构。此外， 论文还开展不同的腔型结构对激光愉 出功率、 发散角和光斑大小的影响进行了实验比对 实验发现热致双折射效应会极大地降低增益介质的消光比 破坏腔内激光的线偏振特性， 从而极大地降低输 出激光的脉冲能量，破 T 光束质量，限制激光器的连续运行时间同时，我们使用实验测量的方法，观察 和比 较热致双 折衬对激光输出 性能的 影响。 从实 验研究约角 度出发. 讨论在高重复率
3、和高 功率抽运下， N d : Y A G 放大器 ( M O P A 结构) 的热致双折射及热 透镜效 应对激光 放大 倍数和输出 激光偏振特性的影响， 为高 重复率大功率全固态 放大器的设计提供实验依据。关健词:全固态激光器，热效应、谐振腔k H z高功率全固态激光器热效应特性研究/ 马惠军S t u d y o n C h a r a c t e r i s t i c s o f T h e r ma l E f f e c t s i n H i g hPo we r k H z S o l i d - S t a t e La s e rMa H u ij u nD i r e c
4、 t e d b y : Z h u X i a o le iAb s t r ac tH i g h p o w e r D i o d e - l a s e r - p u m p e d s o l i d - s t a t e l a s e r , h a s b e c o m e a f o c u s i n r e c e n ty e a r s d u e t o i t s m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s h i g h p u l s e - e n e r g y , h i g h p u l s e - p o
5、 w e r ,c o m p a c t s t r u c t u r e ,d u r a b l e a n d e a s y t o m a i n t e n a n c e . A s t i m e g o e s b y , h i g h r e p e t i t i o no u t p u t la s e r h as b e e n n e e d e d f o r d i ff e r e n t a p p l i c a t i o n s . B u t w i t h t h e r e p e t i t i o n r a t er a i s
6、i n g , t h e t h e r ma l e ff e c t h a s w o r s e n t h e p e r f o r ma n c e o f l ase r . I t s e mp h asi s o f o u rw o r k t o s t u d y t h e t h e r ma l e ff e c t o f t h e h i g h - p o w e r , h i g h r e p e t i t i o n a l l - s o l i d - s t a t e l as e r .T h e w o r k i s o n e
7、 p a rt o f w o r k s i n t h e 8 6 3 p r o j e c t o f a i r b o rne l a s e r d e p t h ma p p i n g .I n o u r w o r k . F i r s t l y , a c o m p a c t L D a r r a y s s i d e - p u m p e d s t r u c t u r e w a s c o n s t r u c t e d t oi m p r o v e t h e u n i f o r m o f p u m p e n e r g y
8、 d i s t r i b u t i o n u s i n g h o m e m a d e p u m p - h e a ds t r u t c u e . S e c o n d l y , b y u s i n g t h e m a t r i x m e t h o d , t h e e q u i v a l e n t r e s o n a t o r p e r f o r ma n c ew a s s t u d i e d . F i n a l l y , a l ase r s t r u c t u r e w a s d e s i g n e
9、d . I n a d d i t i o n , t h e e ff e c t s o fd i ff e r e n t c a v i t y s t r u c t u r e o n t h e o u t p u t p o w e r , b e a m d i v e r g e n c e a n d d i m e n s i o n o ff a c u l a w e r e d i s c u s s e d . I n e x p e r i me n t , a f a c t h as b e e n f o u n d t h a t t h e e ff
10、 e c t o ft h e r m a l l y i n d u c e d b i r e f r i n g e n c e d e p r e s s e sp o la r i z a t i o n . w o r s e n p e r f o r m a n c e o f l a s e rt h e r a t i o o f e x t i n c t i o n . d e g r a d e s l i n e a ro u t p u t . I n f i ft ho f t h i s p a p e r , t h ec h a r a c t e r i
11、 s t ic s o f L D A s i d e - p u mp e d h i g h f r e q u e n c y r e p e t i t i o nNd: Y AGwe r e s t u d i e d . T he t h e r ma lo c a l l e n g t h o f N dc a u s e d b y t h e r m a l l yYAG r o d - a n d t h ea m p li f i e rt h e r ma l l yd e p o l a r i z a t i o nme d i u m we r et o l a
12、 s e r b e a mi n d u c e d b i r e f r i n g e n c e i nd e t e c t e d . T h i s p a rt o f w o r k h e l p s p e o p l e t o t e a m m o r e a b o u t中科院上海光机所研究生毕业论文/ 2 0 0 3年r e p e t i t i o n a l l - s o l i d - s t a t e a mp l i fi e r .K e v w o r d s : a l l - s o l i d - s t a t e l a s e
13、 r , t h e r m a l e f f e c t , c a v i t yk H z高功率全固态激光器热效应特性研I L 1 马惠军第一章 前言1 9 6 0 年 7 月美国休斯公司的 T . H . Ma ima n 博士研制成功了世界上第一台用红宝石作为 激活介质的固体激光器川 。由 于固体激光器具有体积小、 坚固耐用、 储能高、 激发方案简单、可靠性高等优点， 从一丁 始就处在激光研究和激光应用的中 心位置。 八十年代后期，国际上随着高功率激光二极管( L a s e r D i o d e ,L D ) 制作工艺的重大突破， 使得高功率L D的稳定性和寿命不断提高， L
14、D作为全固 态激光器 ( D P S S L )的高效率泵浦源越来越受到重视，并出现了多种结构的光束整形技术 和泵浦技术3 3 3 1 4 l s l 6 7 7 7 g l ， 促进全固 态激光器技术的蓬勃发展，应用领域不断扩展，对国民经济、国防建设、科学技术及日常生活产生了深远的影响， 其中高重复率高功率全固态激光器由于其结构紧凑、用途广泛而日益引起 人们的关丫 L，成为固体激光领域的研究热点。本章节将首先对高重复率高功率固体激光器发展作一综述， 在此基础上， 重点沦述小型高峰值功率全固 态激光器存在的 热效应问题及解决办法。 同时， 鉴于论文涉及的 k H z高峰值功率全固态激光器必须满
15、足机载激光测海深系统的特殊应用，文中深入阐述机载激光测海深系统对激光发射源提出的技术要求， 最后归纳i 兑 明本论文工作的内容、目 标和意义。高重复率高功率固体激光器发展高功率固体激光器因其所具有的脉冲能量大、峰值功率高、 结构紧凑、牢固耐用、易于维护等优点而倍受人们关注， 并广泛应用于工业、农业、 通信、 医疗、科研等国民经济的许多领域 以及国防武器装备上 近年来，由于半导体激光技术中科院 卜 海光机所研究生毕业论文/ 2 0 0 5年的 日益成熟 ，高重 复率高高功 率固体激光器得 到了迅猛 的发展 1 9 9 2年B . C o m a s k e y 等人 用两个二极管阵列分别从两侧泵
16、浦N d : Y A G板条，当 泵浦脉冲宽度为1 0 o u s ， 重复频率为2 . 5 k H z ， 驱动电流为1 4 0 A时， 每个二极管阵列泵浦峰 值功 率为1 5 k W，此时激光器可输出 平均功率2 7 5 W， 脉宽8 0 P s 的激光19 1该激光器的结构如图 I 所示:图 1重复频率2 .5 k H z 二极管泵浦板条 N d ;Y A G激光器同 年， K a s i n s k i 等人采用变反射率反 射镜( v a r i a b l e r e f l e c t i v i t y m i r r o r , V R M)谐振腔， 当单脉冲 泵浦能量为8 5 0 m J 时， D P S S L 输出重复频率4 0 H z , 脉宽 1 7 n s ,单脉冲能量6 8 m 7 的 调Q激光输出， 其光一 光效率达到8 % 1 “ 1 , 1 9 9 3 年， B u m h a m等人采用 一 _ 极管侧面抽运的M O P A结构t i q ，实现了 重复频率 I O O H z ,单脉冲能量8 0 0 m
