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双频微片激光器功率均衡放大机制

双频微片激光器功率均衡放大机制

作者：韦勉杭州电子科技大学

学位级别：硕士

伴随着爆炸式的信息增长,面对人类日益增长的信息交互需求,通信行业一直致力于寻找新的信息载体,以缓解现如今电磁频谱资源稀缺所带来的压力。向高频进军一直都是业界关注的重点方向。近年来涌现的4G无线通信系统以及其他无线产品大规... 详细信息

伴随着爆炸式的信息增长,面对人类日益增长的信息交互需求,通信行业一直致力于寻找新的信息载体,以缓解现如今电磁频谱资源稀缺所带来的压力。向高频进军一直都是业界关注的重点方向。近年来涌现的4G无线通信系统以及其他无线产品大规模应用,使得吉赫兹分米波频段资源变得更为紧张。光载无线通信技术(ROF)以及光生毫米波技术的不断发展,使得对毫米波频段的资源利用成为了一项热门的课题。在光生毫米波技术的众多实验手段中,光外差拍频是一种简单易行的实现方法。双频微片激光器作为一种能够输出高相干度、大频差双频激光的优质激光源,是光外差拍频系统的一个重要组成部分。光外差拍频技术的特点,要求双频激光器能够输出功率均衡,高输出功率的双频激光,本文的内容便围绕这两个议题展开:(1)对毫米波波段以及相关技术背景与前景作了介绍;简要叙述了光生毫米波的几种实现方法,对双频激光光外差拍频法原理的优势进行了说明;之后对微片激光器及MOPA放大系统的近年来研究成果进行了概述。(2)围绕激光原理以及微片激光器的架构分析了4Nd:YVO四能级系统的速率方程、增益系数曲线、增益饱和及双频振荡等内容;基于4Nd:YVO材料的热力学特性,对微片激光器的输出纵模调谐性能做了理论研究。(3)对4Nd:YVO放大器的二级放大机制进行了研究。针对放大器的小信号增益特性、饱和增益特性、放大器结构选择、泵浦光与输入信号光的匹配进行了分析。理论分析结果说明,行波单通二级级联的放大器结构相比双通放大结构,在增益效率、热管理、输出光束质量上具备更大的优势。针对输入信号光和放大器泵浦光之间的光束匹配,以及输入信号光与放大器增益曲线的频谱匹配,进行了理论推导与阐述。(4)搭建MOPA实验装置,引入具备优良冷却性能的TEC温控系统以及透镜组,通过温度调谐与泵浦光束聚焦,获得了良好的频率匹配与光束匹配。当谐振腔温度Tc稳定在16℃时,实现了双频功率均衡的放大激光,总功率为16.1W,双纵模功率比为0.98,频差为53.2GHz,光束质量因数2M=1.20。

关键词：功率均衡 MOPA系统双频微片激光器端面泵浦二级放大

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双镜环行激光器模式研究

光电子．激光 2005年第4期16卷 405-408页

作者：刘武群霍玉晶许闱帷尹晓东赵大龙清华大学电子工程系北京100084

对新型双镜非平面环行激光器进行了详细的理论分析。此激光器的一面腔镜在激光晶体上,结构非常紧凑。振荡激光沿着非平面光路在谐振腔内振荡,在一个环绕迥期内多次进入激光晶体,可方便进行多点端面泵浦以降低热效应。推导出激光模式的... 详细信息

对新型双镜非平面环行激光器进行了详细的理论分析。此激光器的一面腔镜在激光晶体上,结构非常紧凑。振荡激光沿着非平面光路在谐振腔内振荡,在一个环绕迥期内多次进入激光晶体,可方便进行多点端面泵浦以降低热效应。推导出激光模式的理论计算公式,计算出不同振荡模式的腔长,给出了模拟的振荡光路。获得了各模式的激光输出,实验结果和理论模型符合很好。

关键词：激光器模式研究环行理论计算公式激光晶体端面泵浦激光模式振荡模式激光输出理论模型非平面内振荡谐振腔热效应光路腔镜环绕多点腔长

双端泵浦Nd:YVO_4晶体温度场及热形变场的研究

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西安交通大学学报 2005年第2期39卷 170-173,186页

作者：李隆史彭田丰凌亚文白晋涛侯洵西安交通大学电子与信息工程学院西安710049 西安建筑科技大学理学院西安710055 长安大学基础部西安710064 西北大学光子学与光子技术研究所西安710069

为了研究激光二极管双端泵浦激光晶体引起的热效应问题,建立了轴向加热、周边恒温的圆柱形激光晶体热模型.通过热传导方程,利用半解析方法得出了双端泵浦激光晶体温度场和端面热形变场的通解形式,同时研究了泵浦功率、泵浦光斑尺寸以及... 详细信息

为了研究激光二极管双端泵浦激光晶体引起的热效应问题,建立了轴向加热、周边恒温的圆柱形激光晶体热模型.通过热传导方程,利用半解析方法得出了双端泵浦激光晶体温度场和端面热形变场的通解形式,同时研究了泵浦功率、泵浦光斑尺寸以及晶体钕离子掺杂质量分数等因素对晶体温度场和端面热形变场的影响.研究结果表明:当泵浦功率增加、光斑尺寸减小、钕离子掺杂质量分数增加时,激光晶体端面处的温升和热形变量也相应地增大;在相同泵浦条件下,钕离子掺杂质量分数为 0 5%的掺钕钒酸钇晶体中截面处的温升大于其他掺杂质量分数的晶体的相应温升.

关键词：端面泵浦激光晶体温度场热形变半解析热分析

钛宝石端面泵浦Yb^3＋：YAG激光器输出功率的理论分析

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福建师范大学学报（自然科学版） 2009年第2期25卷 44-49页

作者：张智群黄志云邱怡申李高明福建师范大学激光与光电子技术研究所、福建省光子技术重点实验室、医学光电科学与技术教育部重点实验室福建福州350007

从准三能级速率方程出发,模拟分析了940 nm钛宝石激光端面泵浦Y b3+:YAG输出1 030 nm激光的性能.在此过程中,着重考虑了泵浦光的吸收饱和以及Y b3+的自吸收损耗.结果表明:由于输出波长在1 030 nm附近的Y b3+:YAG晶体存在严重的自吸收损... 详细信息

从准三能级速率方程出发,模拟分析了940 nm钛宝石激光端面泵浦Y b3+:YAG输出1 030 nm激光的性能.在此过程中,着重考虑了泵浦光的吸收饱和以及Y b3+的自吸收损耗.结果表明:由于输出波长在1 030 nm附近的Y b3+:YAG晶体存在严重的自吸收损耗,入射功率必须足够强时才能有激光输出,因此激光器的阈值较高;同时,自吸收损耗与Y b3+离子浓度、晶体厚度有关,存在最佳的晶体厚度和Y b3+离子浓度,使激光器的输出功率最大.泵浦光的吸收饱和使激光器运转时激光下能级的粒子数减少,吸收系数下降,相同入射泵浦功率时,激光器的输出功率较低.

关键词：激光器钛宝石激光端面泵浦 Yb3+:YAG晶体

激光二极管泵浦Nd:YAG热容激光器温度场特性研究

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激光二极管泵浦Nd:YAG热容激光器温度场特性研究

作者：傅依柳西安建筑科技大学

学位级别：硕士

自1990年以来,美国劳伦斯利弗莫尔实验室C.T.Walters等人开始对热容型激光器进行研究以后,热容激光器就逐渐广泛使用于医疗,工业,军事等方面,在未来发展中,有望使用在载人航天上。到目前为止它已成为世界中最强大的激光器之一。激光二... 详细信息

自1990年以来,美国劳伦斯利弗莫尔实验室C.T.Walters等人开始对热容型激光器进行研究以后,热容激光器就逐渐广泛使用于医疗,工业,军事等方面,在未来发展中,有望使用在载人航天上。到目前为止它已成为世界中最强大的激光器之一。激光二极管泵浦的全固态激光器(diode pump solid state laser,DPSSL)因其本身高度的稳定性、使用寿命长、体积小等优点已在社会中发挥着重要的作用。全固态热容激光器(solid-state heat capacity laser,SSHCL)与普通任何一种激光器工作模式都不同,它的工作状态介于单脉冲与稳态之间,泵浦阶段和冷却阶段分开工作,这样的工作模式,使它输出的光束质量更好,更适合高功率激光输出。激光二极管泵浦的全固态热容激光器不仅充分体现了激光二极管的优点,还融合了热容激光器的优点,已成为世界上最强的激光器。但是在热容激光器工作过程中,产生出的废热会导致整个激光晶体非均匀温升,将严重地影响激光器输出光束质量,所以如何有效地控制其热效应是热容激光器研究的热点问题之一。本文研究中以端面泵浦为例进行研究。所使用的晶体是Nd:YAG晶体,Nd:YAG晶体以它良好的物理特性和化学特性,常被当做各种激光器的工作物质使用。通常研究热效应中,都把Nd:YAG晶体的热传导系数看做定值来计算,本文中使用晶体热传导系数随温度变化这一基本规律,进行温度场的计算与热效应的研究,更具有实际价值。对减少热容激光器工作中热效应问题,提供了一些措施。首先,对以往热容激光器国内外的发展历史进行了回顾,介绍了激光二极管泵浦全固态热容激光器的优点及研究热点。比较了热容激光器与普通激光器的工作模式以及分析了热效应产生的根本原因,并简单介绍了Nd:YAG晶体的各方面参数。其次,研究了三种类型的激光晶体。长方形激光晶体,圆棒形激光晶体以及新型的微晶片的温度场。分别建立了激光二极管泵浦长方形激光晶体、圆棒形激光晶体、微晶片的简单热模型。对长方形激光晶体和圆棒形激光晶体的单端泵浦模式和双端泵浦模式温度场都进行了研究。在计算研究中考虑到Nd:YAG晶体的热传导系数是随着温度变化的函数,运用合理的边界条件和初始条件,分别计算出单端泵浦和双端泵浦模式下长方形激光晶体和圆棒形激光晶体泵浦阶段和冷却阶段温度场以及单端泵浦微晶片泵浦阶段和冷却阶段温度场。最后,运用得到的温度场计算公式,使用Mathematic7.0模拟出长方形激光晶体和圆棒形激光晶体单端泵浦模式和双端泵浦模式温度场,以及单端泵浦微晶片泵浦阶段和冷却阶段温度场。对比了单端泵浦模式下,泵浦阶段热传导系数作为定值和温度函数时温度场的差异。模拟出温度场后。研究了三种晶体泵浦阶段和冷却阶段在不同泵浦时间和不同泵浦光斑半径时对温度场的影响。本文研究的结果与公开发表论文研究结果数据进行了比对,论文研究结果正确性可靠。对激光二极管泵浦全固态热容激光器温度场研究提供了一定的理论依据。

关键词：全固态热容激光器 Nd:YAG晶体变热传导系数温度场端面泵浦

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激光放大器对光束质量的动态补偿

激光放大器对光束质量的动态补偿

作者：王毅浙江大学

学位级别：硕士

光束质量是激光在实际应用中非常关键的因素。然而在激光放大器中由于热致畸变效应的存在,通常情况下在放大过程中激光光束质量会持续恶化。本文通过研究端面泵浦Nd:YVO4固体激光器中的热效应以及腔内波前球差自再现的过程,提出并验证... 详细信息

光束质量是激光在实际应用中非常关键的因素。然而在激光放大器中由于热致畸变效应的存在,通常情况下在放大过程中激光光束质量会持续恶化。本文通过研究端面泵浦Nd:YVO4固体激光器中的热效应以及腔内波前球差自再现的过程,提出并验证了一种使用激光放大器动态补偿光束质量的方法。本文研究内容主要分为两部分,第一部分中进一步完善激光振荡器中的光束传输理论,用数值模拟和实验验证计算和分析激光振荡级中光场复振幅分布和光束质量的演化过程;第二部分是根据腔内波前自再现的理论提出腔外用放大级动态补偿光束质量,验证这一方法的有效性,并提出激光放大器中实现光束质量动态补偿的原理和方法。第一部分中,首先从热传导方程出发计算端面泵浦下Nd:YVO4晶体的热分布情况,并以此计算得出由热分布导致的折射率分布并引起的热致球差效应。并对晶体热效应对高斯光束的影响做了研究,发现在高功率激光下因为增益饱和效应的存在,晶体热球差成为影响光束质量最关键的因素,通过波前的补偿是实现光束质量的提高的有效方法。同时研究发现带有正球差的光束在通过束腰之后球差符号发生了变化,即正球差可以变为负球差,据此提出了波前球差在谐振腔内部的自再现演化过程的理论模型,并用Matlab的模拟仿真和测量装置的搭建验证了理论模型的正确性。第二部分中通过分析激光振荡器中球差自再现的现象提出一种使用激光放大器中晶体的正球差来动态补偿光束质量的方法,即将激光振荡级中球差系数为负且绝对值最大的地方成像出来通过激光放大级,通过调节激光放大级的泵浦电流来动态调节激光放大级中激光增益介质的正球差系数,实现光束质量的动态补偿。然后搭建了相应实验装置并进行了波前、强度以及光束质量的测量。随着激光放大级泵浦功率的增大,可以找到一个合适的功率,使得光束质量补偿得比较好,同时也搭建了对比实验对理论进行了验证。最后在放大级泵浦功率为63W时,将振荡级输出的M2为4.2的光束补偿至1.6,在放大光束功率的同时实现了光束质量的补偿。

关键词：端面泵浦 Nd YVO4激光器 MOPA系统球差补偿光束质量提高

掺Cr4+：YAG晶体被动调Q激光器的研究

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掺Cr4+：YAG晶体被动调Q激光器的研究

作者：李诚西安工业大学

学位级别：硕士

使用激光二极管（LD）泵浦的固体激光器,与传统的激光器相比可以实现高输出功率、高重复频率,窄脉宽的激光输出。这种激光器的优点是体积小、效率高、结构简单、价格低廉等,因此在工业、科研、军事、医学、等领域中有着广泛的应用前景... 详细信息

使用激光二极管（LD）泵浦的固体激光器,与传统的激光器相比可以实现高输出功率、高重复频率,窄脉宽的激光输出。这种激光器的优点是体积小、效率高、结构简单、价格低廉等,因此在工业、科研、军事、医学、等领域中有着广泛的应用前景。成为海内外学者研究的热点。本论文采用光纤耦合的LD作为泵浦源,Nd3+:YAG晶体作为激光器的工作物质,可饱和吸收体Cr4+:YAG作为被动Q开关,并对4d3+:YAG晶体进行端面泵浦,分析研究了被动调Q激光器的脉冲输出特性。主要做了以下几个方面的工作： 1)回顾了LD泵浦的固体激光器发展历程,讨论了典型被动Q开关材料Cr4+:YAG晶体的特性以及调Q激光器的工作原理。 2)运用高斯分布近似下的速率方程,对调Q激光器进行了理论分析。 3)实现了LD泵浦Nd3+:YAG晶体被动调Q1064nm激光器的运转,测量了不同泵浦功率、输出镜透过率和腔长下的输出功率、重复率、脉冲宽度;同时对实验结果进行了理论分析,得到了一致的结果。 4)考虑到热效应的影响,对Q开关晶体的位置进行了研究,得出了Q开关晶体在谐振腔内的最佳位置,在此基础下,也确定了泵浦源的最佳位置。

关键词：固体激光器端面泵浦被动调Q Cr4+:YAG Q开关位置

不同晶体组合的671 nm激光输出对比研究

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应用激光 2009年第4期29卷 343-346页

作者：李安明李景照陈振强韩永飞李真张戈暨南大学光电工程研究所广东广州510632 中国科学院福建物质结构研究所福建福州350002

为了找出LD端面泵浦连续671nm激光器的最佳晶体组合方式,对激光晶体Nd:YVO_4和Nd:GdVO_4,及倍频晶体LBO和BIBO的物理光学特性进行了理论分析,并在相同的直腔条件下,分别用这些激光晶体和倍频晶体进行不同的组合实验,实现连续红光输出,... 详细信息

为了找出LD端面泵浦连续671nm激光器的最佳晶体组合方式,对激光晶体Nd:YVO_4和Nd:GdVO_4,及倍频晶体LBO和BIBO的物理光学特性进行了理论分析,并在相同的直腔条件下,分别用这些激光晶体和倍频晶体进行不同的组合实验,实现连续红光输出,分析对比了它们的激光特性。结果表明使用Nd:YVO4和Ⅰ类临界相位匹配LBO组合可获得更高的红光输出功率及更好的光束质量。

关键词：激光器全固态激光器腔内倍频端面泵浦临界相位匹配

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大口径LD泵浦的激光放大器热沉积特性

强激光与粒子束 2006年第12期18卷 1979-1982页

作者：王明哲李明中谭吉春丁磊邓青华罗亦鸣国防科学技术大学光电科学与工程学院长沙410073 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

通过分析LD阵列端面泵浦片状放大器的工作特点,建立了对增益介质Nd:YLF进行热特性研究的有限元模型。针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况,计算出了LD泵浦功率56kW,脉冲宽度520μs,重复频率10 Hz状态下晶体瞬时3维... 详细信息

通过分析LD阵列端面泵浦片状放大器的工作特点,建立了对增益介质Nd:YLF进行热特性研究的有限元模型。针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况,计算出了LD泵浦功率56kW,脉冲宽度520μs,重复频率10 Hz状态下晶体瞬时3维温度和热应力分布。研究结果表明:由于脉冲工作方式,晶体各节点温度随时间呈锯齿形变化,经过一段时间后吸热和冷却效果达到平衡,介质温度呈周期性变化;在相同泵浦峰值功率条件下,超高斯泵浦能量分布引起的温升和热应力最小,其最大值分别为103.3℃和47.6 MPa;有效泵浦功率密度达到10 kW/cm2量级时,介质极可能发生热致断裂。

关键词：二极管泵浦激光热效应放大器端面泵浦有限元分析