直接液體冷卻薄片激光器的研究.pdf

1、近年來(lái)，直接液體冷卻薄片激光器因其結(jié)構(gòu)緊湊，換熱能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)逐漸受到人們的重視。本論文主要按以下三部分內(nèi)容對(duì)其進(jìn)行研究:基于折射率匹配液和Nd∶YLF晶體的直接液體冷卻薄片激光器千瓦量級(jí)輸出的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn);直接液體冷卻薄片激光器的波前畸變研究;依據(jù)波前畸變特性及非穩(wěn)腔理論分析計(jì)算，研究并實(shí)現(xiàn)數(shù)焦耳量級(jí)高光束質(zhì)量激光輸出。
　　本文首先分析了直接液體冷卻薄片激光器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。激光器中冷卻液選用了與增益介質(zhì)Nd∶YLF折射率非常接近的匹

2、配液。流道設(shè)計(jì)上，參考了低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了流道內(nèi)冷卻液的層流，同時(shí)介質(zhì)表面的對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到1000 W/(m2·K)以上。為使每片增益介質(zhì)的泵浦加載功率基本相同，介質(zhì)選用了摻雜濃度從0.36at.％到0.76.at％的不同Nd∶YLF晶體，并且晶體的裝夾方式上采用了軟裝夾，經(jīng)計(jì)算，相比于硬裝夾，采用軟裝夾時(shí)增益模塊所能承受的最大泵浦功率是采用硬裝夾時(shí)的8倍。泵浦方式上，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)采用端面泵浦，同時(shí)在端面泵浦耦合系統(tǒng)中加入金屬波導(dǎo)實(shí)

3、現(xiàn)泵浦光的均勻泵浦。流速和流道厚度的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，它們很大程度上決定了激光器所能承受的最大泵浦功率。采用10片a切割的Nd∶YLF薄片，在流速5m/s，流道厚度0.5 mm，泵浦功率5202W時(shí)，實(shí)現(xiàn)線偏振激光1120 W輸出，光光效率21.5％，斜率效率30.8％。據(jù)我們所知，這是首次采用折射率匹配液作為冷卻液，Nd∶YLF薄片作為增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)的最高功率輸出的直接液體冷卻薄片激光器。
　　非穩(wěn)腔的輸出功率和光束質(zhì)量受限于增益

4、模塊的波前畸變，因此采用層流模型對(duì)直接液體冷卻薄片激光器的增益模塊進(jìn)行了熱分析。發(fā)現(xiàn)冷卻液的波前畸變占據(jù)模塊波前畸變的主導(dǎo)地位，波前畸變可通過(guò)光程差函數(shù)進(jìn)行表征，光程差函數(shù)可以精確的分解成勒讓德多項(xiàng)式，除了低階像差，模塊的高階像差也能通過(guò)勒讓德多項(xiàng)式的特定項(xiàng)表達(dá)出來(lái)。分析可知，模塊的高階像差主要由兩個(gè)原因造成，首先是冷卻液的冷卻不均勻，其次是由于增益介質(zhì)邊緣有一定的裝夾區(qū)域，并未實(shí)現(xiàn)全口徑泵浦。同時(shí)，分析了模塊波前畸變的影響因素，研究發(fā)

5、現(xiàn)采用均勻的泵浦，窄的流道，高速的流場(chǎng)能有效改善模塊波前畸變。最后構(gòu)建增益模塊波前畸變實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，構(gòu)造了不同的泵浦光均勻性，不同的流速，不同功率等，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果非常一致。
　　在上述研究了波前畸變的基礎(chǔ)上，建立了非穩(wěn)腔的理論迭代模型，模型中同時(shí)考慮了模塊的波前畸變以及增益效應(yīng)，獲得了非穩(wěn)腔的自再現(xiàn)模。分別計(jì)算了放大率為1.3的傳統(tǒng)非穩(wěn)腔以及幾何放大率為1.2，有效放大率為1.3的階梯反射率非穩(wěn)腔的自再