本文關(guān)鍵詞： 激光探測(cè) 單縱模激光器 熱效應(yīng) 自注入鎖定 相干發(fā)射　出處：《西安電子科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：光源是激光探測(cè)系統(tǒng)的核心器件,本文研究探測(cè)用單縱模二極管抽運(yùn)固體激光器(DPL)中的相關(guān)問題,主要內(nèi)容包括四個(gè)部分:分析振蕩光場(chǎng)的頻譜特性;研究粗糙面?zhèn)鲗?dǎo)散熱下激光器熱效應(yīng)對(duì)激光器性能的影響;系統(tǒng)研究聲光調(diào)制自注入鎖定單縱模激光方法并實(shí)驗(yàn)獲得自注入鎖定輸出;提出用單縱模多子光束陣列相干發(fā)射方案提高激光探測(cè)性能。第一部分:基于多縱模振蕩模型,討論DPL中的縱模振蕩。結(jié)果表明:駐波腔中,激光介質(zhì)中空間燒孔分布形成于弛豫振蕩過(guò)程中光子數(shù)第一次大規(guī)模增長(zhǎng)的階段;弛豫振蕩穩(wěn)定后,各縱模共存輸出,各縱模共同產(chǎn)生的空間燒孔使上能級(jí)粒子數(shù)密度沿軸向呈現(xiàn)出幅度調(diào)制的高頻起伏分布;行波腔中,只有發(fā)射截面最大的縱模能形成穩(wěn)定的激光輸出;腔長(zhǎng)變化時(shí),失諧損耗使振蕩波長(zhǎng)發(fā)生漂移,腔長(zhǎng)變化較小時(shí),振蕩波長(zhǎng)平滑轉(zhuǎn)換;而腔長(zhǎng)變化較大時(shí),波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換伴隨著弛豫振蕩。第二部分:針對(duì)激光介質(zhì)金屬熱沉散熱的粗糙面接觸傳熱問題,提出了一種計(jì)算溫度場(chǎng)的面熱源自適應(yīng)調(diào)整算法,研究單縱模激光器中基橫模光場(chǎng)的熱效應(yīng)。通過(guò)在研究對(duì)象的封閉邊界上引入虛擬面熱源,通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整算法,獲得滿足邊界條件的面熱源分布,然后用自由空間的格林函數(shù)快速計(jì)算對(duì)象內(nèi)的溫度場(chǎng)。建立了導(dǎo)熱聯(lián)結(jié)的兩種介質(zhì)的表面接觸模型,在此基礎(chǔ)上建立了隨機(jī)分布的表面散熱邊界條件,并利用面熱源自適應(yīng)調(diào)整算法計(jì)算了介質(zhì)內(nèi)的溫度分布。計(jì)算結(jié)果表明,由于介質(zhì)散熱表面不能完全緊密接觸,其溫度場(chǎng)呈現(xiàn)一定程度的隨機(jī)起伏,越靠近邊界,隨機(jī)起伏越明顯,介質(zhì)中心區(qū)域隨機(jī)起伏則不明顯;有效熱接觸面積越小,這種隨機(jī)起伏越強(qiáng)烈。由于該溫度場(chǎng)的影響,激光介質(zhì)表面附近的相位差存在起伏并深入一定深度。隨抽運(yùn)功率的增大,相位差的起伏增強(qiáng);接觸面積增大時(shí),相位差起伏減小,起伏的深度也有所減小。熱致衍射損耗隨抽運(yùn)功率近似線性增加,基模光半徑越大,增加的斜率越大;當(dāng)基模光半徑較大時(shí),接觸面積越小熱致衍射損耗越大。第三部分:理論研究環(huán)形腔聲光調(diào)制自注入鎖定過(guò)程。通過(guò)數(shù)值求解聲光互作用耦合波方程研究聲光調(diào)制器對(duì)環(huán)形腔中兩個(gè)方向光波的衍射效率,結(jié)果表明:在入射角偏離布拉格角一定角度時(shí),兩光波有最大衍射效率差,該偏離角隨超聲波頻率的升高而減小;最大衍射效率差隨超聲波功率的增加而增大,增大的斜率逐漸減小;超聲波頻率越高,能提供更大的衍射效率差。在此基礎(chǔ)上,數(shù)值求解速率方程研究環(huán)形腔自注入鎖定過(guò)程,結(jié)果表明:高損耗階段末尾,兩方向光子數(shù)密度之比隨超聲波功率增加迅速增加,當(dāng)超聲波功率大于一定值后,該比值趨于穩(wěn)定;在超聲波頻率從1MHz增加到約10 MHz時(shí),該比值迅速增大,當(dāng)超聲波頻率高于10 MHz后,該比值趨于穩(wěn)定;該比值隨抽運(yùn)功率的增加而增大,增大趨勢(shì)逐漸變緩。在通常實(shí)驗(yàn)條件可得到的抽運(yùn)功率、超聲波頻率和超聲波功率下,光子數(shù)密度之比可達(dá)十幾個(gè)數(shù)量級(jí),能保證成功實(shí)現(xiàn)自注入鎖定。自注入鎖定脈沖的峰值功率隨超聲波功率的增加近似線性增大;能達(dá)到的最高重復(fù)頻率隨抽運(yùn)功率的增大線性增大,在幾十瓦的抽運(yùn)功率水平下重復(fù)頻率在千赫茲量級(jí)。用光纖耦合輸出激光二極管對(duì)Nd:YAG進(jìn)行端面抽運(yùn),采用四鏡環(huán)形腔實(shí)現(xiàn)了聲光調(diào)制自注入鎖定激光器。實(shí)驗(yàn)中,在平均功率1 W時(shí),獲得了重復(fù)頻率2 kHz,脈沖寬度475 ns的自注入鎖定脈沖,對(duì)應(yīng)的脈沖峰值功率為1.1 kW。光束接近高斯分布,光束質(zhì)量因子M2為1.3。第四部分:提出一種多子光束相干發(fā)射方案提高激光對(duì)遠(yuǎn)距離小目標(biāo)的探測(cè)能力。將光源發(fā)出的光束分為若干子光束平行發(fā)射,由于子光束來(lái)自同一單縱模激光源,具有很好的相干性,因此它們?cè)谀繕?biāo)面上產(chǎn)生干涉主峰,用此干涉主峰進(jìn)行探測(cè)。目標(biāo)越小,此方案相對(duì)于直接發(fā)射的優(yōu)勢(shì)越突出。計(jì)算結(jié)果表明:子光束在目標(biāo)面上產(chǎn)生干涉主峰,理想情況下峰值光強(qiáng)為直接發(fā)射的subN(subN為子光束數(shù)目)倍。給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所允許的光束間距;設(shè)計(jì)中還應(yīng)適當(dāng)壓縮發(fā)散角,增大目標(biāo)上的總功率。發(fā)射鏡位置和角度抖動(dòng)使得光斑畸變、光強(qiáng)閃爍,為獲得穩(wěn)定的干涉主峰,發(fā)射鏡的位移控制精度需達(dá)到0.1λ(光波長(zhǎng))、角度控制精度需達(dá)到0.2θdiv(發(fā)散角);目標(biāo)面上干涉峰可以比直接發(fā)射小一個(gè)數(shù)量級(jí),從而提高探測(cè)的空間分辨率。
[Abstract]:In this paper , the influence of laser thermal effect on laser performance is studied by means of self - adaptive adjustment algorithm . The results show that the ratio of photon number density increases with the increase of the ultrasonic power . In the ideal case , the peak light intensity is the subN which is directly emitted ( subN is the number of sub - beams ) . The beam spacing allowed in the design of the system is given . In the design , the divergence angle should be properly compressed and the total power on the target is increased . In order to obtain stable interference principal peak , the displacement control accuracy of the emission mirror is 0.1 位 ( light wavelength ) , and the angle control accuracy needs to reach 0.2 . theta div ( divergence angle ) ; the interference peak on the target surface can be smaller by order of magnitude than the direct emission , so that the spatial resolution of the detection can be improved .

【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN245

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本文編號(hào)：1467071