【摘 要】
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固体激光器的平均功率已经达到了千瓦至万瓦量级。随着泵浦功率的增加,热效应对光束质量的影响也变得更加复杂,光束质量的控制难度显著增大。如何在高泵浦功率条件下获得良好的光束质量,是激光技术领域亟需解决的关键技术问题之一。传统的光束质量控制方法主要有两种:一是抑制热效应,减少热效应对光束质量的影响;二是在谐振腔内增设特殊的光学装置对振荡光束进行选模及像差校正。这些措施都使激光器系统的结构变得更加复杂,导
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固体激光器的平均功率已经达到了千瓦至万瓦量级。随着泵浦功率的增加,热效应对光束质量的影响也变得更加复杂,光束质量的控制难度显著增大。如何在高泵浦功率条件下获得良好的光束质量,是激光技术领域亟需解决的关键技术问题之一。传统的光束质量控制方法主要有两种:一是抑制热效应,减少热效应对光束质量的影响;二是在谐振腔内增设特殊的光学装置对振荡光束进行选模及像差校正。这些措施都使激光器系统的结构变得更加复杂,导致可靠性下降。不同于传统方法,本文从热效应的利用角度,提出了光束质量控制的新思路,通过对激光晶体掺杂浓度、散热边界条件、泵浦光场分布等物理参量的优化设计,获得恰当的晶体热致折射率分布,并利用晶体热效应对泵浦光束进行控制,从而使泵浦光分布区域与谐振腔振荡光低阶模高度重叠,从而在不增设额外光束质量控制元件的情况下,仅通过晶体热透镜效应对于增益区域的控制,实现良好光束质量。论文主要内容如下:1、研究了在端面泵浦的条件下,Nd:YAG和Yb:YAG激光器中激光晶体的温度场分布规律。根据泵浦光场分布情况,结合热传导方程理论构建了晶体内温度场分布的数值计算模型,基于该计算模型研究了多种不同条件下Yb:YAG与Nd:YAG的温度场分布,为研究利用激光晶体的热效应控制光束质量建立了基础。2、研究利用热效应控制光束质量的方法。根据泵浦光场空间分布状况,制定光线采样方案,对泵浦光场进行光线束表达;构建变折射率介质中的光线轨迹仿真,动态模拟激光晶体中由于温度场梯度导致的泵浦光朝着基模振荡光的分布区域集中的现象。研究了由于泵浦光热效应所导致的泵浦光束在晶体汇聚的规律;并用数值算法模拟了多种热效应下激光振荡光束的光束质量因子。3、搭建端面泵浦Nd:YAG与Yb:YAG的实验平台,对热效应控制光束质量的方法进行实验验证。实验测量了泵浦光分布及功率对调Q输出激光的光束质量因子、功率、脉宽等参数的影响。在端面泵浦的调Q激光器中,在Nd:YAG激光器中当泵浦光斑半径0.8mm,泵浦功率在72W,重频10k Hz下,利用热效应控制获得了光束质量因子2.2的输出激光,输出激光脉冲宽度4.2ns、平均功率25.9W,峰值功率约617k W。在Yb:YAG激光器中,也明显地观察到了热效应对激光器性能的提升。以上研究表明,论文所构建的变折射率介质中的光线轨迹仿真可以有效模拟泵浦光在激光晶体的传播情况,所设计的利用热效应对光束质量进行控制的方案切实可行,和实验验证结果一致,为大功率泵浦光下的光束质量控制提供了新思路。
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