YbYAG薄片激光器连续和脉冲输出性能研究

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1、硕士学位论文Yb:YAG薄片激光器连续和脉冲输出性能研究CONTINUOUS-WAVEANDPULSEOUTPUTPERFORMANCESFORYb:YAGTHINDISKLASER周劼哈尔滨工业大学2012年7月国内图书分类号：TN249学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开工学硕士学位论文Yb:YAG薄片激光器连续和脉冲输出性能研究硕士研究生：周劼导师：于欣教授申请学位：工学硕士学科：物理电子学所在单位：光电子信息科学与技术系答辩日期：2012年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN249U.D.C:535Dis

2、sertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringCONTINUOUS-WAVEANDPULSEOUTPUTPERFORMANCESFORYb:YAGTHINDISKLASERCandidate：JieZhouSupervisor：Prof.YuXinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PhysicalElectronicsAffiliation：DepartmentofOpto-ElectronicsInformationScienceandTechn

3、ologyDateofDefence：July,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要LD端面抽运的固体激光器(DiodePumpSolidStateLaser,DSSPL)因具有寿命长、效率高、结构紧凑等优势而成为固体激光器未来发展的主要方向之一。但是在高功率运转下增益介质的散热问题仍然制约着固体激光器朝更高输出功率、更高光束质量进一步发展。针对传统棒状激光器中的散热问题，研究人员设计了板条和薄片结构的新型的固体激光器。薄片激光器采用端面泵浦

4、和端面冷却的工作方式，使得温度梯度方向与振荡激光方向一致，因此这种设计可以在很大程度上克服热效应产生的影响，从而获得高光束质量高功率的激光输出。Yb:YAG晶体吸收带宽宽、热负载小、荧光寿命长、不受再吸收效应以及能量上转换的影响，这些优异特性使其成为薄片激光器的首选增益介质。腔倒空技术可以实现与激光增益和运转重频无关的恒定脉宽激光输出，激光能量能够在一次往返时间内完全输出。所以，腔倒空技术能够有效改善脉冲激光的输出性能。鉴于上述分析，本文主要研究Yb:YAG薄片激光器输出激光特性，包括连续激光输出特性以及脉冲透射式调Q(腔倒空)脉冲激光输出特性。本文首先根据薄

5、片参量优化理论对薄片各个参量进行了优化设计，由此分析出薄片晶体厚度、掺杂浓度、水冷温度、泵浦系统抽运程数对薄片激光器输出性能的影响。接下来由准三能级速率方程，推导出了不同抽运功率下振荡光斑尺寸与抽运光斑尺寸的最佳比值。最后利用ANSYS对不同边界条件下Yb:YAG薄片晶体的温度场、热应力以及端面形变分布情况进行了详细模拟并与普通棒状晶体仿真结果进行了对比分析，由此说明薄片结构在克服热效应方面的优越性。根据上面理论优化结果，进行了Yb:YAG薄片激光器连续输出实验研究。利用940nmLD作为泵浦源实现了最高功率达100W的1030nm连续激光输出，斜效率达到55

6、.3%，光光效率为50.3%。为了进一步优化连续输出性能，结合薄片激光器系统设计实施了Yb:YAG薄片激光器最佳透过率实验方案，实验结果表明该薄片系统最佳透过率T约为12%。从速率方程角度出发，推导了脉冲运转时输出激光的脉冲能量、峰值功率以及脉宽等参量的表达式，分析了影响其性能的主要因素。优化了腔倒空激光器腔内参量，由速率方程得到了腔倒空脉冲宽度与谐振腔长度和调Q器件开关时间的数值关系。最终实现了腔倒空Yb:YAG薄片激光器1030nm脉冲激光输出，脉冲宽度大小恒定为20.3ns±0.2ns，最高运转重频达到100kHz，并在100kHz下得到最高平均功率为4

7、2W的脉冲激光输出。在重频10kHz，50kHz和100kHz时得到的最高峰值功率分别是109.8kW,37.8kW和20.9kW。关键词：薄片激光器；Yb:YAG晶体；腔倒空I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractLDend-pumpedsolid-statelasers(DiodePumpSolidStateLaser,DPSSL)havetheadvantagesoflongoperationallifetime,highefficiency,compactstructureandsoon.Underhigh-poweroperation,the

8、heatdissipationofth