發(fā)布時(shí)間：2020-03-21 21:04

【摘要】：近年來(lái),得益于中國(guó)政府在產(chǎn)業(yè)升級(jí),智能制造領(lǐng)域的大力扶持和政策引導(dǎo),高光束質(zhì)量、高峰值功率的紅外、綠光甚至紫外激光器成為激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)�；谥髡袷幑β史糯蠼Y(jié)構(gòu)的固體激光器以其簡(jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的穩(wěn)定性、較高的性價(jià)比得到了激光加工尤其是精細(xì)加工領(lǐng)域的青睞。本文著眼于激光應(yīng)用市場(chǎng),主要對(duì)固體激光放大技術(shù)進(jìn)行了研究,以期獲取高光束質(zhì)量、高峰值功率的激光輸出。文章主要分為兩方面內(nèi)容:第一方面從制約光束質(zhì)量的晶體熱效應(yīng)入手,通過(guò)仿真計(jì)算尋找熱管理的有效方法,并基于對(duì)稱腔和非對(duì)稱腔的自再現(xiàn)模對(duì)影響光束質(zhì)量的熱致球差進(jìn)行了分析和仿真,提出球差補(bǔ)償理論;第二方面將球差補(bǔ)償理論在放大級(jí)中進(jìn)行驗(yàn)證,并基于良好的熱管理和球差補(bǔ)償理論,設(shè)計(jì)搭建了一套高光束質(zhì)量、高峰值功率的光纖固體混合放大系統(tǒng),并對(duì)其非線性轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究分y。本文以成熟的商用激光增益介質(zhì)Nd:YVO4和Nd:YAG為主要研究對(duì)象,二者都是良好的激光增益介質(zhì),但由于熱致畸變導(dǎo)致的光束質(zhì)量惡化成為制約其獲取更高功率的重要因素。通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)諧振腔的研究,發(fā)現(xiàn)高斯光束在諧振腔中的光強(qiáng)分布和相位分布會(huì)隨著傳播過(guò)程而不斷變化,兩者共同作用,表現(xiàn)為光束質(zhì)量的變化。在對(duì)稱腔結(jié)構(gòu)中,光束質(zhì)量在傳播過(guò)程中不發(fā)生變化,而在非對(duì)稱腔中光束質(zhì)量經(jīng)歷改善到惡化的循環(huán)過(guò)程。通過(guò)將腔內(nèi)的光束質(zhì)量演化過(guò)程在腔外通過(guò)多級(jí)放大器循環(huán)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了光束質(zhì)量的有效管理。文章從仿真、理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了研究分析,得出由于晶體熱效應(yīng)引入的正球差為影響光束質(zhì)量的主要因素。然而高斯光束傳播過(guò)程中,球差會(huì)不斷變化。它在經(jīng)過(guò)束腰后球差會(huì)由正值變?yōu)樨?fù)值,當(dāng)絕對(duì)值與正球差相近的負(fù)球差再經(jīng)過(guò)帶有正球差的晶體后,就可以實(shí)現(xiàn)球差的補(bǔ)償從而實(shí)現(xiàn)光束質(zhì)量的改善,這一過(guò)程可以通過(guò)兩級(jí)放大級(jí)單通實(shí)現(xiàn),也可以通過(guò)一級(jí)放大級(jí)雙通來(lái)實(shí)現(xiàn)。這一理論不僅適用于同一介質(zhì)主振蕩多級(jí)放大過(guò)程,同樣對(duì)于不同增益介質(zhì)也適用。當(dāng)一束高光束質(zhì)量的光束經(jīng)過(guò)一級(jí)增益介質(zhì)的雙通放大,可以保證光束質(zhì)量基本不變,從而繼續(xù)進(jìn)入下一級(jí)雙通放大。這有助于充分利用光纖激光器易獲得小信號(hào)、窄脈寬、重頻和譜線可調(diào)的輸出特點(diǎn),以及Nd:YVO4晶體在小信號(hào)輸入時(shí)易獲得高增益和Nd:YAG晶體在高填充大功率抽取條件易獲得高功率輸出的優(yōu)點(diǎn),將三者充分結(jié)合。設(shè)計(jì)了以鎖模光纖激光器作為種子源,兩級(jí)Nd:YVO4雙通放大作為預(yù)放,和一級(jí)Nd:YAG雙通放大作為主放的主振蕩功率放大系統(tǒng)(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)。其中,光纖種子源脈寬4.8 ps,輸出重頻在30 kHz-30 MHz可調(diào),單脈沖能量為～1 nJ,譜線在1064.4 nm中心譜線附近± 0.2 nm可調(diào)。對(duì)于兩級(jí)Nd:YV04雙通放大,通過(guò)合理設(shè)計(jì)每一個(gè)放大級(jí)泵浦點(diǎn)的大小和填充因子,保證了高增益的獲取,對(duì)于單級(jí)Nd:YAG雙通放大,通過(guò)增大泵浦和填充因子,提高抽取效率的同時(shí)降低了激光在晶體表面的峰值功率密度,以防高峰值功率損傷晶體。最后在重頻30 kHz,中心譜線1064.38 nm條件下得到平均功率為31.8 W的激光輸出,單脈沖峰值功率超過(guò)100 MW,而光束質(zhì)量因子為1.26,整個(gè)放大系統(tǒng)的增益超過(guò)60dB。基于上述主振蕩功率放大系統(tǒng),分別在腔外進(jìn)行了二倍頻和四倍頻的實(shí)驗(yàn)研究。得益于上述系統(tǒng)的高峰值功率以及高光束質(zhì)量,獲得了 80%的二倍頻轉(zhuǎn)換效率和35%的四倍頻轉(zhuǎn)換效率,最終得到25.5 W 532 nm激光輸出及8.9 W 266 nm激光輸出。
【圖文】：

２００８年相干公司的Ｄａｖｉｄ等人將重頻４０邋ＭＨｚ、平均功率３邋ｍＷ、脈寬５邋ｐｓ的鎖模光逡逑纖種子源通過(guò)雙端泵浦Ｎｄ：ＹＶ０４再生放大的技術(shù)得到輸出功率２５邋Ｗ、重頻２００邋ｋＨｚ，，脈逡逑寬１０邋ｐｓ的１０６４邋ｎｍ激光輸出，其光束質(zhì)量因子Ｍ２＜邋１．３，實(shí)驗(yàn)裝置如圖１－１所示［３４］。逡逑Ｍｌ逡逑Ｓｅｅｄ逡逑ｌａｓｅｒ逡逑——ＱＷＰ逡逑ｐＰ邋ＱＱ邋Ｌ邋＞逡逑，，逡逑Ｏｕｔｐｕｔ邐Ｊ邋Ｍ６逡逑４0ｗ＾＾ｍ５逡逑圖１－１再生放大器原理圖｜３４］逡逑４逡逑

圖ｌ－２Ｙｂ：ＹＡＧ雙碟片再生放大器原理圖１３５１逡逑２０１２年德國(guó)Ｅｄｇｅｗａｖｅ公司１３６１的Ｋｅｒｎｉｎｇ邋Ｄｕ等人通過(guò)Ｉｎｎｏｓｌａｂ的兩級(jí)ＭＯＰＡ放將一個(gè)重頻２０邋ＭＨｚ的１０邋ｐｓ的鎖模Ｎｄ：ＹＶ０４振蕩器功率放大到約４００邋Ｗ，其在ＭＨｚ的時(shí)候獲得平均功率４２２邋Ｗ的輸出，在重頻０．５邋ＭＨｚ的時(shí)候平均功率達(dá)到３８輸出的光束質(zhì)量Ｍ２邋＝邋１．２。具體的裝置原理圖如圖１－３所示。逡逑Ｆａｒａｄａｙ逡逑Ｓｅｅｄｅｒ逡逑Ｍｕｌｔｉ邋Ｐａｓｓ－Ａｍｌｉｆｉｅｒ逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN248.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 董延濤;趙智剛;劉崇;陳軍;;熱效應(yīng)對(duì)固體激光器偏振特性和基模輸出特性的影響[J];中國(guó)激光;2009年07期

2 張俊華;激光工藝在電子行業(yè)中的應(yīng)用[J];電子工業(yè)專用設(shè)備;2003年05期

本文編號(hào)：2593935