双波长Yb:YAG激光器的热管理及输出特性研究

近年来,随着激光应用领域进一步拓宽,激光二极管(LD)泵浦的全固态激光器也越来越受到人们的关注。其中,双波长固体激光器能够输出两个波长的激光,尤其在激光差分雷达、医疗检测与美容以及太赫兹波等领域具有广泛的应用,成为固体激光技术研究的主要热点之一。特别是,具有偏振特性的双波长激光在水底成像以及大气遥感等领域具有独特的应用潜力,引起科研人员的极大兴趣。本文通过分析和总结国内外双波长固体激光器的研究现状和相关进展,分别采用块状和板条两种形状的Yb:YAG晶体作为激光增益介质,开展连续双波长Yb:YAG固体激光器的理论和实验研究。本文的具体研究内容如下:(1)分析和比较了目前固体激光技术领域应用最为广泛的两种激光晶体Nd:YAG和Yb:YAG的物理参数和光学特性;探讨了Yb:YAG晶体在荧光寿命、吸收带宽以及掺杂浓度范围等方面相对于Nd:YAG晶体所具有独特的优势。(2)基于泊松热传导方程,利用有限元分析软件ANSYS对两种形状的Yb:YAG晶体进行热模拟分析;理论模拟获得在相同的泵浦条件下,两种形状的晶体的温度梯度分布情况,以及温度分布曲线和横截面温度分布图。同时,热效应的影响进行了理论分析。理论研究表明,在相同的泵浦和冷却条件下,板条形状的晶体的散热效果比块状形状的散热效果要好。(3)实验中,采用不同的输出耦合率,获得了不同波长的激光输出。其中,当输出耦合率为10%,获得了1050nm激光输出;采用20%耦合率的输出镜,则得到了1030nm激光输出。当输出镜耦合率为15%时,实现了1030nm与1050nm双波长激光输出。半导体端面泵浦状态下,块状Yb:YAG晶体产生的热效应较板条晶体更为严重;因此,板条形状晶体的Yb:YAG激光器的输出功率高于块状晶体的输出功率。(4)实验测量和分析了1030nm、1050nm以及双波长激光的偏振态特性,结果表明获得的1050nm激光没有偏振现象,而获得的1030nm激光显示出线偏振特性。另一方面,双波长激光的偏振态特性与1030nm和1050nm的比重有关,将随之变化而改变,属于弱偏振光。实验观测了输出激光的光斑分布和功率稳定性,本实验得到的1030nm、1050nm以及双波长激光都近似于基模高斯分布,光束质量好;三十分钟内激光功率RMS稳定性优于0.5%。本论文设计的线偏振激光及双波长Yb:YAG激光器具有装置简单可靠、稳定性强,能够达到实用化的要求;在激光通信、高精度传感、非线性光学频率变换、光束合成等领域有重要的应用价值。