【摘 要】
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高重复频率下的1064/532 nm双波长紧凑型激光器在激光雷达中有着重要的研究意义和应用价值。激光器的性能参数对激光雷达的探测产生直接影响。例如,激光雷达的探测距离与激光器的重复频率紧密相关,激光器的脉冲宽度影响着探测的精度等。在激光雷达系统中,LD端面泵浦激光器具有越来越重要的地位,能够满足星载系统对电光转换效率、光束质量和尺寸的需求。但端面泵浦中,严重的热效应使得增益介质内的基模体积变小,光
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高重复频率下的1064/532 nm双波长紧凑型激光器在激光雷达中有着重要的研究意义和应用价值。激光器的性能参数对激光雷达的探测产生直接影响。例如,激光雷达的探测距离与激光器的重复频率紧密相关,激光器的脉冲宽度影响着探测的精度等。在激光雷达系统中,LD端面泵浦激光器具有越来越重要的地位,能够满足星载系统对电光转换效率、光束质量和尺寸的需求。但端面泵浦中,严重的热效应使得增益介质内的基模体积变小,光束畸变等,导致输出功率变小及光束质量变差等问题。采用低浓度掺杂的晶体作为增益介质,虽然可以减小产生的热效应,但是效率较低,造成能源浪费;双端泵浦的方式结构较为复杂,小型化较为困难,并且未被吸收完的泵浦光可能损坏泵浦源;多段不同浓度键合的晶体能够缓解热效应并提高输出效率,但其加工过程复杂,价格偏高,且在不同浓度的界面可能会产生晶界和浓度阶梯,不同浓度段中的激光吸收率跳跃比较大,各段晶体内的泵浦一致性有着明显的差别。为研制性能卓越的双波长激光器,需要考虑热效应带来的影响,本文中采用浓度渐变的Nd:YAG晶体作为增益介质,进行激光器的研究和研制,论文的主要内容如下:1.阐述了采用修正的提拉法生长渐变浓度Nd:YAG晶体具体过程,并采用激光剥蚀的方法进行Nd3+离子浓度的标定,得到其浓度分布随着光轴的方向成指数增长式分布。截取出浓度为0.39-0.80at.%的晶体,与等效平均浓度为0.60at.%的均匀掺杂Nd:YAG晶体在45W泵浦功率下对比热分布特征。采用红外热像仪采集温度,结果表明,渐变浓度晶体的端面温度仅约0.60 at.%的一半,并且其轴向温度分布更加均匀。理论计算和测量了这两种晶体的热透镜焦距,并且测量了浓度为0.40at.%、0.80at.%和0.80-0.39at.%的热透镜焦距,表明渐变晶体能够很好的缓解热透镜效应。2.为了探究0.39-0.80 at.%晶体的激光性能,在自由运转和调Q运转的谐振腔下进行了不同浓度晶体输出参数的对比。在自由运转的平平谐振腔下,0.39-0.80 at.%的最大输出功率相比浓度为0.60 at.%的晶体提高了 35.9%;在调Q系统中,前者相对后者最大输出功率提高了 16.7%。并且渐变晶体0.39-0.80at.%的输出也高于其他晶体,体现了渐变浓度晶体具有提高输出效率的优势。为了补偿渐变晶体的热透镜效应,设计了平凸非稳谐振腔结构,在2 kHz下获得了 6.9 W的输出,光束质量为1.377和1.279,脉宽为5.9 ns,相应的峰值功率为585 kW。测得其一个小时的功率稳定性为0.55%（RMS）,并研制了 1064nm调Q激光器样机。3.为了提高激光器的抗振动干扰等的能力,根据渐变浓度0.39-0.80 at.%的热焦距,计算模拟了凹凸稳定谐振腔的输出特性,并实验研究不同的凸镜和激光晶体之间的距离对激光输出的影响。在此基础上获得了高光束质量的1064nm调Q输出功率7.2 W。研究了 KTP晶体长度对倍频效率的影响,并在腔外倍频下获得532 nm调Q激光4.0 W,脉冲宽度为6.4 ns,光束质量为1.355和1.344。峰值功率为313 kW,4个小时的功率稳定性为0.35%（RMS）。最后设计并研制出一台532 nm调Q激光器样机。
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