【摘 要】
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基于LD（Laser Diode）端面泵浦结构的全固态谐波激光器具有短波长、大光子能量、高分辨率、高可靠性、高转换效率和高光束质量等特点,在工业制造、科学研究、医学治疗和军事对抗等方面都有着广泛的应用前景,其高功率、高光束质量等优点也成为了当前的研究热点。本论文将围绕如何实现LD端面泵浦激光器的高功率、高光束质量输出以及激光的倍频、三倍频过程展开理论和实验研究。（1）基于热透镜效应对LD端面泵浦激
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基于LD（Laser Diode）端面泵浦结构的全固态谐波激光器具有短波长、大光子能量、高分辨率、高可靠性、高转换效率和高光束质量等特点,在工业制造、科学研究、医学治疗和军事对抗等方面都有着广泛的应用前景,其高功率、高光束质量等优点也成为了当前的研究热点。本论文将围绕如何实现LD端面泵浦激光器的高功率、高光束质量输出以及激光的倍频、三倍频过程展开理论和实验研究。（1）基于热透镜效应对LD端面泵浦激光器中谐振腔的设计进行了研究。针对谐振腔中激光模式尺寸与泵浦光斑尺寸的匹配问题,根据激光器的模式理论,推导出了能够实现TEM00模输出,有效泵浦半径需要满足的几何判据,并通过腔内模式匹配的实验进行了验证。为筛选参数优良的端面泵浦用半导体激光器,提出了一种针对于半导体激光器光纤耦合输出光斑参数检测的新方法并设计了一种相关装置。基于上述研究,对1064nm和532nm双波长自由切换激光器进行了实验研究,实验采用了中心波长为808nm的泵浦源,对YVO4/Nd:YVO4键合晶体进行泵浦,利用I类临界相位匹配方式的LBO晶体进行腔内倍频,得到了 9.1W的532nm激光,泵浦光-可见光转换效率为31.4%,重复频率为50kHz,脉冲宽度为23.8ns,光束质量因子分别为Mx2=1.17,My2=1.27,像散为0.01,圆度为1.10。为了实现双波长自由切换输出,采用旋光晶体调节腔内基频光偏振方向,旋光晶体与偏振片配合改变腔内激光路径。当旋光晶体插入腔内时,能够得到平均功率达14.1W的1064nm激光,泵浦光-红外光转换效率为48.6%,重复频率为50kHz,脉冲宽度为24.8ns,光束质量因子分别为Mx2=1.23,My2=1.25,像散为0.03,圆度为1.01。（2）为了进一步提高LD端面泵浦激光器的输出功率、优化输出激光的光束质量,对具有良好模式匹配与热补偿管理的单端泵浦串接双Nd:YVO4晶体结构的谐振腔进行了实验研究,并采用单端泵浦Nd:YVO4晶体的MOPA激光器进行了功率放大拓展。结合ABCD矩阵以及速率方程理论,计算分析了单端泵浦串接双Nd:YVO4晶体结构的谐振腔输出激光的光束质量。实验采用中心波长为878.6nm的泵浦源对低掺杂浓度（0.2at.%）的Nd:YVO4晶体进行了泵浦,通过一级功率放大后,最终得到了功率可达50W的1064nm激光,对应泵浦光-红外光转换效率为51.2%,重复频率为80kHz,基频光的光束质量因子分别为Mx2=1.16,My2=1.17,像散0.10,圆度1.04。利用I类非临界相位匹配方式的LBO晶体进行腔外倍频,得到了 36.3W的532nm激光,倍频转换效率为72.6%,脉冲宽度为24.6ns,倍频光光束质量因子分别为Mx2=1.07,My2=1.07,像散0.12,圆度1.05。（3）对实验中发现的光束质量在非线性转换过程中得到优化的现象进行了理论和仿真研究。从耦合波方程出发,考虑非线性晶体在不同匹配方向中相位匹配允许角的差异,对相位匹配单位长度允许角与谐波光的光场强度分布之间的关系进行了分析。仿真结果与实验结果吻合较好,表明通过合理地选取非线性晶体长度能够改善谐波光的光束质量。实验采用了中心波长为878.6nm的泵浦源及掺杂浓度为0.3at.%的Nd:YVO4晶体,Ⅰ类和Ⅱ类临界相位匹配方式的LBO晶体分别作为腔内倍频和三倍频转换的非线性晶体,在泵浦功率27W的条件下,获得了 4.5W的355nm激光,泵浦光-紫外光的转换效率为16.7%,重复频率为50kHz,脉冲宽度为13.7ns,光束质量因子分别为Mx2=1.10,My2=1.07,像散为0.10,圆度为1.15。
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