Yb：YAG薄片激光器連續(xù)和脈沖輸出性能研究.pdf

1、LD端面抽運的固體激光器(Diode Pump Solid State Laser,DSSPL)因具有壽命長、效率高、結構緊湊等優(yōu)勢而成為固體激光器未來發(fā)展的主要方向之一。但是在高功率運轉下增益介質的散熱問題仍然制約著固體激光器朝更高輸出功率、更高光束質量進一步發(fā)展。針對傳統(tǒng)棒狀激光器中的散熱問題,研究人員設計了板條和薄片結構的新型的固體激光器。薄片激光器采用端面泵浦和端面冷卻的工作方式,使得溫度梯度方向與振蕩激光方向一致,因此這種設計

2、可以在很大程度上克服熱效應產生的影響,從而獲得高光束質量高功率的激光輸出。Yb:YAG晶體吸收帶寬寬、熱負載小、熒光壽命長、不受再吸收效應以及能量上轉換的影響,這些優(yōu)異特性使其成為薄片激光器的首選增益介質。腔倒空技術可以實現(xiàn)與激光增益和運轉重頻無關的恒定脈寬激光輸出,激光能量能夠在一次往返時間內完全輸出。所以,腔倒空技術能夠有效改善脈沖激光的輸出性能。鑒于上述分析,本文主要研究Yb:YAG薄片激光器輸出激光特性,包括連續(xù)激光輸出特性以及

3、脈沖透射式調Q(腔倒空)脈沖激光輸出特性。
　　本文首先根據(jù)薄片參量優(yōu)化理論對薄片各個參量進行了優(yōu)化設計,由此分析出薄片晶體厚度、摻雜濃度、水冷溫度、泵浦系統(tǒng)抽運程數(shù)對薄片激光器輸出性能的影響。接下來由準三能級速率方程,推導出了不同抽運功率下振蕩光斑尺寸與抽運光斑尺寸的最佳比值。最后利用ANSYS對不同邊界條件下Yb:YAG薄片晶體的溫度場、熱應力以及端面形變分布情況進行了詳細模擬并與普通棒狀晶體仿真結果進行了對比分析,由此說明薄

4、片結構在克服熱效應方面的優(yōu)越性。
　　根據(jù)上面理論優(yōu)化結果,進行了Yb:YAG薄片激光器連續(xù)輸出實驗研究。利用940nmLD作為泵浦源實現(xiàn)了最高功率達100W的1030nm連續(xù)激光輸出,斜效率達到55.3％,光光效率為50.3%。為了進一步優(yōu)化連續(xù)輸出性能,結合薄片激光器系統(tǒng)設計實施了Yb:YAG薄片激光器最佳透過率實驗方案,實驗結果表明該薄片系統(tǒng)最佳透過率T約為12%。
　　從速率方程角度出發(fā),推導了脈沖運轉時輸出激光的脈

5、沖能量、峰值功率以及脈寬等參量的表達式,分析了影響其性能的主要因素。優(yōu)化了腔倒空激光器腔內參量,由速率方程得到了腔倒空脈沖寬度與諧振腔長度和調Q器件開關時間的數(shù)值關系。最終實現(xiàn)了腔倒空Yb:YAG薄片激光器1030nm脈沖激光輸出,脈沖寬度大小恒定為20.3ns±0.2ns,最高運轉重頻達到100kHz,并在100kHz下得到最高平均功率為42W的脈沖激光輸出。在重頻10kHz,50kHz和100kHz時得到的最高峰值功率分別是109.