论文部分内容阅读
高功率固体激光器在工业、科研及军事等领域有非常重要的应用价值。半导体激光器的迅速发展带动了激光二激管(laserdiode，LD)泵浦激光器的发展。其中尤其以LD泵浦Nd:YAG晶体激光器的发展最为引人关注，并得到了最广泛的推广和应用。然而，Nd:YAG单晶由于生长工艺的限制存在制作周期长、尺寸有限和高质量大尺寸成品率低等缺点。近年的研究发现Nd:YAG陶瓷可以解决Nd:YAG单晶的上述问题。Nd:YAG陶瓷几乎继承了Nd:YAG单晶的全部优点，如受激发射截面大、热导率高、化学性能稳定等。同时，Nd:YAG陶瓷相对于Nd:YAG单晶还具有掺杂浓度高、尺寸大、结构多功能化、制作周期短、成本低和机械强度高等显著的优点。尽管如此，目前Nd:YAG陶瓷也存在制作重复性差，散射相对较大等缺点。本论文主要利用国产Nd:YAG陶瓷，开展高功率Nd:YAG陶瓷激光器的相关研究工作，重点研究了Nd:YAG陶瓷的表征，高功率Nd:YAG陶瓷板条的优化设计，获得了以下创新性成果:
1，系统测试了Nd:YAG陶瓷的散射系数和吸收系数，吸收谱，荧光谱。结果表明，部分高质量的国产Nd:YAG陶瓷的散射系数与Nd:YAG单晶接近。其吸收谱线和荧光谱线与Nd:YAG单晶几乎相同;
2，研究了准垂直入射时，Zigzag板条填充系数与板条切割角度，板条厚度和入射角度之间的关系。研究发现准垂直入射时Zigzag板条填充系数正比于sin-2β（β为板条端面切割角）。而切割角β≥arcsin(n2/n1)（n2、n1分别为板条材料和大面倏逝波保护膜材料的折射率）。选择低折射率倏逝波保护膜有利于高填充因子Zigzag板条的设计。我们利用有限元算法数值模拟和计算了Nd:YAG陶瓷板条温度分布与板条厚度之间的关系。综合考虑泵浦效率和热管理及加工难度后认为，对高功率大面双程泵浦Nd:YAG陶瓷板条的厚度进行了优化。
3，分析了三种不同泵浦方式的优缺点，研究了大面泵浦光场的整形和匀化方法，采用微透镜阵列分割场镜积分匀化法使光场在快轴方向的均匀性优于5％;
4，利用一块高质量国产Nd:YAG陶瓷，设计了大面双程泵浦Zigzag光路Nd:YAG陶瓷板条激光器，实现了准连续1064nm激光输出平均功率达2440W，光光效率为36.5％。改进泵浦源的结构与整形方式并且提高泵浦功率后，相同尺寸Nd:YAG陶瓷板条构成的陶瓷板条激光器实现了准连续1064nm激光输出平均功率达4055W，光光效率为42.7％。其功率输出为同类激光器中国内最高水平，光光效率达到同类激光器中国际先进水平。