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高平均功率高光束质量的固体激光器在军事和工业等领域有着重要的应用,是目前激光技术研究的热点之一。固体激光器在高平均功率输出时,激光介质中的废热将产生热透镜、热应力、热致双折射和退偏等效应,导致光束质量下降、输出功率受限,甚至会造成激光介质损坏。采用激光二极管(LD)泵浦和低量子亏损的激光介质可以有效地降低固体激光器的热负载,从而显著地提高固体激光器的输出功率。固体激光器的热量主要来源于激光介质的量子亏损,以Nd:YAG激光器为例,在泵浦波长为808nm、激光波长为1064nm时,Nd:YAG的量子亏损大约为24%,加上非辐射跃迁,Nd:YAG激光器在激光输出时的热负载比大约为32%。因此,选择低量子亏损的激光介质对降低固体激光器的热负载非常重要。现阶段,适合高平均功率激光输出的固体激光介质主要包括Nd:YAG和Yb:YAG,而Yb:YAG的量子亏损远小于Nd:YAG的量子亏损。Yb:YAG在常温下为准三能级系统,为了实现高功率和高效率的激光输出,必须采用高强度泵浦和高亮度激光注入。Yb:YAG激光器的泵浦强度数倍于Nd:YAG激光器,这对激光二极管阵列(LDA)的泵浦功率提出了更高要求。在高强度泵浦和高亮度激光注入时,Yb:YAG板条和激光传输链路的抗损伤能力、板条冷却器的散热能力都将面临更大的挑战。基于本项目组多年来在Nd:YAG板条主振荡功率放大器(MOPA)技术方面的研究基础,本论文选择Yb:YAG板条增益模块作为研究对象,分析了常温下高平均功率Yb:YAG板条增益模块的关键技术,通过理论和实验研究,探索单个Yb:YAG板条增益模块在常温下实现10kW以上高平均功率激光输出的可行性。本论文主要内容如下:一、根据端面泵浦板条对泵浦光的吸收规律,建立了端面泵浦板条的多浓度分段掺杂设计方法,设计了高储能密度的Yb:YAG双浓度掺杂板条;根据Yb:YAG的能级结构和准三能级速率方程开展了 Yb:YAG的激光动力学研究,推导了泵浦光吸收系数、激光增益系数和激光提取效率等主要物理量的数学表达式,并分析了泵浦强度和激光强度对Yb:YAG激光提取效率的影响;开展了泵浦光与激光相互耦合条件下Yb:YAG板条增益模块输出光强和光光转换效率的数值模拟,分别研究了泵浦强度、激光强度、工作温度和传输损耗对Yb:YAG板条增益模块输出光强和光光转换效率的影响,从理论上给出了Yb:YAG板条增益模块在常温下获得45%以上光光转换效率的设计参数。二、根据板条增益模块的能量流程推导得到了光光转换效率的数学表达式,直观地显示了各种因素对板条增益模块光光转换效率的影响;开展了非对称端面泵浦耦合技术研究,从理论上证明了非对称端面泵浦耦合技术不仅显著地提高了泵浦耦合效率,而且有效隔离了残余泵浦光,延长了 LDA的使用寿命;开展了零声子线泵浦Yb:YAG板条增益模块的理论研究,通过数值模拟证明了在相同热负载状态下,采用零声子线泵浦时Yb:YAG板条增益模块的光光转换效率与941nm泵浦时基本一致,但由于泵浦强度可以提高30%以上,因此Yb:YAG板条增益模块的有效输出功率可以提高将近30%。三、分析和比较了空间叠加与偏振叠加LDA输出性能的差异,设计了满足高泵浦强度和高泵浦均匀性要求的泵浦耦合系统,实验测得Yb:YAG板条端面荧光分布的均匀性达到了 95%,充分验证了慢轴波导匀化和扩束成像泵浦耦合系统的泵浦均匀性,研制了预放和主放Yb:YAG板条增益模块;开展了抑制Yb:YAG板条增益模块中放大的自发辐射(ASE)和寄生振荡(PO)的技术研究,选择了在Yb:YAG板条侧面键合Cr4+:YAG以抑制ASE和PO的技术途径,同时还有可能减小Yb:YAG板条边缘的温度梯度,理论上可以提高Yb:YAG板条增益模块的输出性能。四、在常温下开展了 Yb:YAG板条增益模块的激光输出实验,实验分别测量了预放和主放Yb:YAG板条增益模块的输出功率与光光转换效率,其中主放Yb:YAG板条增益模块的有效输出功率达到了 11.3kW。这是目前已有报道的Yb:YAG板条增益模块在常温下获得的最高功率的连续激光输出,验证了单个Yb:YAG板条增益模块在常温下实现10kW以上高平均功率激光输出的可行性。五、根据实验参数进行了数值模拟,数值模拟与实验结果比较吻合,验证了理论模型的正确性,为进一步开展Yb:YAG板条增益模块的优化设计、提高Yb:YAG板条增益模块的输出功率、功率体积比和光光转换效率建立了基础。Yb:YAG板条增益模块已经应用于板条MOPA激光器实验,将1030nm光纤种子源通过一个预放和一个主放Yb:YAG板条增益模块进行功率放大,在常温下实现了 11.9kW的激光输出,连续输出时间达到110s,波前校正后的光束质量β大约为2.8倍衍射极限。在上述基础上再增加一个主放Yb:YAG板条增益模块,激光输出功率增加到22.3kW,波前校正后的光束质量β大约为3.3倍衍射极限,这是常温下Yb:YAG板条激光器获得的最高功率的连续激光输出。本论文的主要技术进步与创新点如下:1、建立了端面泵浦板条的多浓度分段掺杂设计方法,设计的双浓度掺杂板条的平均储能密度相比常规的单浓度掺杂板条提高了30%,设计的慢轴波导匀化和扩束成像泵浦耦合系统的泵浦均匀性达到了 95%。2、在常温下开展了 Yb:YAG板条增益模块的激光输出实验,其中主放Yb:YAG板条增益模块的有效输出功率达到了11.3kW,这是目前已有报道的Yb:YAG板条增益模块在常温下获得的最高功率的连续激光输出。3、提出了非对称端面泵浦和零声子线泵浦Yb:YAG板条的技术方案,为进一步提高Yb:YAG板条增益模块的输出功率奠定了基础。