二极管泵浦固体热容激光器热效应研究

固体热容激光器作为有效解决高平均功率固体激光器中热管理问题的技术路线之一,其工作模式有效降低了增益介质的热效应和光程畸变,降低了泵浦功率受增益介质断裂极限的限制,可以提高输出激光平均功率和光束质量,并有定标放大到100 kW以上输出激光平均功率的潜力。固体热容激光器作为下一代高平均功率固体激光器的最佳候选之一,已成为当今国际激光领域的一个研究热点。 由于具有极强的军事应用背景,国外对固体热容激光器研究工作的公开报道主要集中在理论分析、技术方案论证和阶段性实验进展等方面,而关键技术都是严格保密的。因此,独立地、创新性地发展和改进固体热容激光器工作模式的概念、必要的理论模型、设计方案和突破工程实验中的技术难点是非常重要的。基于此,本文主要对二极管泵浦固体热容激光器进行了理论和实验研究：设计了高功率二极管阵列端面对称泵浦结构,对增益介质内泵浦光和瞬态热应力三维非均匀分布进行了理论和模拟分析；构建了高功率二极管阵列端面对称泵浦Nd:GGG实验装置,并进行了详细的实验研究和理论分析,实验结果与理论分析和模拟结果相吻合,研究成果为国内最高水平。 首先,本文分别从增益介质、泵浦源、谐振腔等方面,详细讨论和分析了固体热容激光器的设计原则和关键技术。 其次,本文设计并分析了高功率二极管端面对称泵浦结构,采用光线追迹法和有限元法,对增益介质内泵浦光和瞬态热应力三维非均匀分布进行了模拟和分析。同时考虑二极管在快轴和慢轴方向的发散特性和增益介质内三维非均匀分布的热沉积,建立了符合实际情况的泵浦光模型和内热源模型。模拟和分析的结论更真实地反映了实际情况下增益介质内瞬态三维非均匀热应力分布,同时为确定固体热容激光器的安全工作条件提供了更为详细的理论依据。 同时本文还研究和分析了固体热容激光器参数、增益介质温度和激光脉冲串输出时间对固体热容激光器输出特性的影响,模拟和分析的结论为预估固体热容激光器的性能和确定工作参数提供了理论依据。 最后,构建了高功率二极管阵列端面对称泵浦Nd:GGG固体热容激光器实验装置,并进行了实验研究和分析。实验测量与模拟结果相吻合,直接验证了结构设计思想和模拟所采用方法、模型及结果的正确性。采用单片Nd:GGG,实验获得1.49 kW的输出激光平均功率,光-光转换效率为24.1%；采用3片Nd:GGG串联,实验获得了5.27 kW的输出激光平均功率,光-光效率为23.3%；采用5片Nd:GGG串联,获得了8.77 kW的输出激光平均功率,光-光效率为20.2%。经过调研,该项研究成果为国内最高水平,实验结果和结论为二极管泵浦固体热容激光器的发展和优化设计提供了实验依据。