基于ANSYS的双频激光器热效应仿真及实验研究

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半导体二极管(LD)抽运的固体微片激光器因为其具有转化效率高、结构紧凑、信号输出稳定、价格相对低廉等优势,成为固体激光器研究领域的热门之一。在光通信领域,毫米波技术也在即将商用的5G网络中会有极大的应用前景和价值。使用光学方法产生毫米波信号,利用外差拍频技术获得优质的射频信号需要提供相干性良好的双频信号,相比于采用两个独立的单频激光器输出两束激光信号进行外差,使用双波长激光器是一种更好的选择,因为双频激光信号是来自同一个谐振腔,所以两束信号的相位一致性要优于两个独立振荡的单频激光源。但双频信号输出功率比值将直接影响到外差拍频效果,目前对于双频信号输出的功率均衡调谐研究报道很少,所以本文去研究双频微片激光器的输出信号功率调谐并获得最大功率乘积十分有意义。本文从这个角度出发,先研究双频微片激光器工作时晶体介质的相关热效应理论,通过仿真分析获得一些结论。为第四章的实验研究提供了理论参考。本文具体研究内容可以分为以下几个方面:(1)简要概述了固体激光器的一些背景知识,并对本文激光器选用晶体增益材料做了介绍,然后还对微片激光器近些年的研究报道做了归纳梳理。(2)阐述了激光产生的基本原理,并对光学谐振腔做了较为详细的介绍,包括光学谐振腔的分类、结构和起振条件。然后对本文所用的晶体材料属于四能级结构,进行了四能级速率方程的推导,给出了纵模输出条件描述表达式。(3)对微片激光器工作过程中温控模块进行建模,建立仿真分析理论模型。围绕建立的模型,借助有限元分析软件,探究工作时晶体内部中心点温度与抽运电流大小和温控温度之间的关系,从而发现抽运电流与温控温度之间存在一种线性关系,当提高抽运电流,温控温度降低指定值,可实现晶体内部温度的不振荡。(4)对微片激光器的均衡机制可调谐做了实验研究,讨论如何实现功率均衡温度的可调谐问题。根据第三章热分析研究得出的结论,通过研究发现,当双频激光器输出双频功率稳定之后,当抽运电流提高,可以通过调节指定的温控温度,实现双频信号的功率均衡,完成了双频功率均衡信号的可调谐。
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