ld侧边泵浦nd：yag板条激光器谐振腔研究

1、华中科技大学 硕士学位论文 LD侧边泵浦Nd：YAG板条激光器谐振腔研究 姓名：何里 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：朱晓 20070530 摘 要 传统的固体激光器的增益介质为棒状结构，高功率运转下常常会产生热聚焦，热 致应力双折射等畸变效应，这些热效应严重影响了激光的光束质量并限制了激光的输 出功率。实验和理论均表明，新型的板条状激光器在消除热透镜效应，改善光束质量， 提高输出功率等方面有着显著的优势。本文围绕二极管双侧边对称泵浦的板条激光器 进行了一系列的理论和实验研究，主要内容包括： (1) 阐述了板条激光器的优势，综述了国内外二极管泵浦板条激光器的研究进展。 (2) 介绍了本课题使用的板条模块结构，激光二极管阵列泵浦源的结构与工作参 数。 (3) 测量了两个方向上板条模块的热透镜效应， 根据板条模块的一维热分布模型推 导了子午面上热透镜的计算公式，对比了计算值与实验测量值。 (4) 使用等价g*参数法与光束传输矩阵法，对板条模块使用的多程振荡式谐振腔进 行了分析；在x-z方向(弧矢面)和y-z方向(子午面)分别分析了谐振腔长、反射镜曲率半 径和热透镜对于谐振腔

2、的稳定性的影响，并且基于稳腔情况分析了它们对于光斑半径 和基模远场发散角的影响。在此基础上，得到了一组合适的谐振腔参数，使谐振腔能 够保持热稳运转，且输出光斑近似为圆。计算了该腔模体积、发散角和M2因子。 (5) 计算了 Nd:YAG 板条的小信号增益系数， 通过实验测量了板条模块端面上不同 位置的增益分布，发现靠近两侧的增益较大，靠近中心的增益较小，将测量得到的小 信号增益系数与计算值进行了对比，两者基本符合；测量了板条模块单程损耗系数， 与损耗的计算值进行了对比，讨论了板条的单程起振条件。 (6) 根据以上的结果，从理论上给出了使用多程振荡式谐振腔折叠 5 次光路后， Nd:YAG 板条激光器的最佳输出。 关键词：关键词：多程振荡式谐振腔 增益分布 板条激光器 掺钕钇铝石榴石 I Abstract Solid-state lasers traditionally are fabricated in the shape of a long thin rod, which exhibits optical distortions such as thermal focusing, th

3、ermal stress induced birefringence in the case of high power operation. These thermally induced effects severely degrade the optical quality of the laser beam and eventually limit the laser output power. Both theories and experiment results show that novel slab lasers are of advantage to eliminate those thermal focusing effects, improve the optical quality and increase the output power. This dissertation presents results of edge-pumped slab laser based on a series of theoretical and experimental

4、 researches. The contents can be outlined as follows: (1) The advantages of slab lasers are reviewed. The development of LD pumped slab lasers in China and foreign countries are summarized. (2) Advantage and disadvantage of edge-pumed and end-pumed laser have been analyzed , structure of slab module and laser-diode stack used in this subject have been present. (3) Thermal lensing of two dirction has been measured. Thermal lensing formula of y-z dirction has been given by one-dimensional thermal

5、distributing module of Nd:YAG slab. Calculate results and experiment results have been compared. (4) Multi-pass folded resonator has been analyzed by g* method and beam transfer matrix method. The influence to stabily caused by resonator length,radius of reflection mirror and thermal lensing in x-z direction and y-z dirction have been analyzed.And influence to beam semidiameter and divergence angles caused by these factors have been analyzed based on stabilty resonator.A set of suitable resonato

6、r parameter which insured resonators thermal stabily has been given.The mode volume, divergence angles and M2 factor have been calculated. (5) Small signal gain coefficient of Nd:YAG slab laser has been calculated. Gain distribution on different place of slab module end has been measured.The calculate result and experiment result have been compared. Single pass wasting has been calculated and measured. II (6) Based on these results,when beam transfers 5 times in slab crystal using multi-pass fol

7、ded resonator, optimal output of Nd:YAG slab laser has been given. Keywords: multi-pass folded resonator gain distribution slab laser Nd:YAG III 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方

8、框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 绪论 1.1 固体激光器研究综述 1960 年世界上第一台问世的激光器红宝石激光器就是固体激光器。 在 60 年代固 体激光器发展迅速，红宝石(1960 年)、钕玻璃(1961 年)和 Nd:YAG(1964 年)激光器在这 一时期研究成功。固体激光单元器件和振荡放大、调 Q、锁模和选模等技术和应用都 获得了迅速发展。70 年代，气体和染料等激光器发展迅速，相比之下，固体激光器的 发展显得较为缓慢，但这一时期在新的固体激光材料开发，单元技术研究和应用开拓 等方面，仍取得不少有意义的成果。进入 80 年代以后，以高功率固体激光器可调谐 固体激光器和高效率固体激光器，特别是以二极管泵浦固体激光器的迅速发展为标志， 固体激光器进入了被称为“复苏”的新的发展时期。在 90 年代，固体激光器保持了持续 发展的势头，并不断开拓重要应用领域。其中，以高功率固体激光器和二极管泵浦固 体激光器及其应用研究的新进展尤为引人注目。 迄今，已实现激光振荡的固体激光工作物质有数百种之多，激光谱线数千条。固 体激光器的

9、主要特点是： (1) 固体激光器输出光波波长较短，如红宝石激光器输出波长为 0.6943 微米；Nd: YAG，以及Nd3+钕玻璃激光器的波长为 1.06 微米，比CO2激光器低一个数量级。由于 固体激光器的输出波长多在可见光区段或近红外光区段，因此很容易用某些晶体倍频， 获得可见光甚至紫外光波段光波。 由于产生激光的粒子掺于固体物质中，其浓度比气体大，因而可获得大的激光能 量输出，单个脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲峰值功率可达几十太瓦。但因固体热效 应严重，连续输出功率不如气体高，可达千瓦级水平。 (2) 固体激光器输出比较容易用普通光学元件传递，对于 1.06 微米的近红外光， 还可用光导纤维传递能量。在许多应用中，它又是方便灵活的工具。 (3) 固体激光器结构紧凑、牢固耐用、使用维护方便，价格也略低于气体激光器。 (4) 固体激光器泵浦系统一般都是光泵浦，以惰性气体放电灯应用最普遍。脉冲氙 灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高，是红宝石、掺钕钇铝石榴石和钕玻璃脉冲激 1 光器中应用最为广泛的一种灯。目前，半导体激光器(LD)泵浦的发展非常迅速。 鉴于以上的特点，固体激光器在工业激光加工、激光医学、激光化学、科学研究 与发展以及国防军事等方面获得广泛的应用。已用于激光打孔、焊接、切割、微调、 划片、打标、热处理、手术刀、医学诊断、激光雷达、全息摄影、激光存储、激光测 污和环境监控、遥感、水下探测、激光光谱分析、激光测距、目标指示、制导、致眩 和惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion简称ICF)等， 形成了相当广阔的世界固体激 光市场1。 在固体激光和相关领域未来的发展中，二极管泵浦固体激光器是值得深入研究的 方向：适于二极管泵浦的固体激光工作物质及其几何构型，泵浦和冷却方式，热效应 和有效散热措施，新型光腔等。其中，板条状激光器由于其特殊的平板状结构，可以 有效地降低激光器的热畸变效应，

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