大口径激光二极管阵列的高效泵浦耦合技术研究

论文题目: 大口径激光二极管阵列的高效泵浦耦合技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 贾伟

导师: 胡永明,张小民

关键词: 二极管泵浦固体激光,激光二极管阵列,大口径,耦合效率,均匀性

文献来源: 国防科学技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 大口径激光二极管阵列的高效泵浦耦合技术是高功率二极管泵浦固体激光系统急需解决的关键技术之一。它包括两方面的要求:将大口径激光二极管阵列输出的泵浦光高效缩束,从而在增益介质内实现较高的储能密度;改善泵浦光的空间分布,在增益介质内实现较均匀的储能分布。本论文针对适用于大口径激光二极管阵列的高效耦合技术进行了详细的研究。首先通过对近年来各种典型耦合方式的分析和对比发现,空心透镜导管耦合是目前最适用于大口径激光二极管阵列的耦合方式。利用自主开发的二极管阵列泵浦固体激光全三维模拟软件,对空心透镜导管进行了全面的研究,特别是各设计参数对耦合效果的影响,从而总结出空心透镜导管耦合系统的设计方法。按照这种方法设计的空心透镜导管耦合系统,能够在对大口径激光二极管阵列输出的泵浦光进行高效缩束的同时,实现良好的泵浦均匀性。在不考虑内壁反射损耗的情况下,即使将泵浦光束缩束100倍,也能够实现70%以上的输出效率,这是现有其他耦合方式难以实现的。作为高功率DPL的关键技术之一,大口径激光二极管阵列的高效耦合问题得到了很好的解决。将研究得出的空心透镜导管耦合系统及其设计方法应用于10J级二极管泵浦重复频率固体激光系统的设计中。设计了16kW和48kW端面泵浦片状放大器,将两种阵列输出的平均发光强度不足0.5kW/cm~2的泵浦光分别缩束36倍和27倍。激光介质有效区域内的泵浦强度全面超过10kW/cm~2,调制度小于1.2。激光介质内的有效储能及其均匀性都达到了系统设计要求。简要分析了10J级重复频率DPSSL的系统结构,并利用神光99软件对系统光传输进行模拟,确定了片放级多程放大结构。在充分考虑系统损耗的情况下,模拟得到了系统输出能量和光斑的空间分布。系统片放级光光效率超过15%,与美国利弗莫尔实验室的Mercury系统基本相当。

论文目录:

摘要

Abstract

第1章导论

1.1 二极管泵浦固体激光技术概况

1.1.1 激光二极管发展概况

1.1.2 二极管泵浦固体激光技术发展概况

1.2 高功率二极管泵浦固体激光系统

1.3 选题背景及意义

1.4 本文的主要内容及研究成果

1.4.1 主要内容

1.4.2 研究成果

参考文献

第2章高功率二极管泵浦固体激光关键技术研究

2.1 二极管泵浦固体激光的能量传输机制

2.2 激光二极管及其阵列

2.2.1 激光二极管作为固体激光器泵浦源的优势

2.2.2 泵浦用激光二极管的常用结构

2.2.3 激光二极管及其阵列的空间光学特性

2.2.4 激光二极管的温度及热特性

2.2.5 激光二极管的失效

2.3 泵浦耦合技术

2.3.1 侧面泵浦

2.3.2 端面泵浦

2.3.3 折叠腔泵浦方式

2.4 热管理

2.5 小结

参考文献

第3章大口径二极管阵列高效耦合技术研究

3.1 透镜导管工作原理和理论模型

3.1.1 实心透镜导管及其理论模型

3.1.2 空心透镜导管和实心透镜导管的对比

3.2 三维光线追迹DPL 模拟

3.2.1 三维DPSSL 模拟软件

3.2.2 空心透镜导管耦合系统研究方法

3.2.3 实心透镜导管与空心透镜导管的模拟对比

3.3 空心透镜导管的耦合特性

3.3.1 平凸透镜的会聚作用

3.3.2 空心透镜导管耦合

3.3.3 空心透镜导管的实例

3.3.4 空心导管输入端口径优化

3.3.5 平凸透镜焦距对耦合效果的影响

3.3.6 缩束比和阵列发散角与耦合效率的关系

3.4 小结

参考文献

第4章焦耳级端面泵浦片状放大器设计与研究

4.1 端面单侧泵浦片状放大器

4.2 激光二极管阵列模拟

4.3 16kW 端面泵浦片状放大器

4.3.1 空心透镜导管设计

4.3.2 泵浦均匀性研究

4.3.3 16kW 片状放大器的稳定性问题

4.3.4 16kW 片放大器的进一步优化

4.4 48kW 端面泵浦片状放大器研究

4.5 小结

参考文献

第5章 10J 级重复频率DPL 系统研究

5.1 激光介质

5.2 系统前级

5.3 10J 级端面泵浦多程片状放大系统

5.3.1 片状放大器多程放大构形研究

5.3.2 10J 级系统能量输出研究

5.4 小结

参考文献

第 6 章总结

致谢

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发布时间: 2006-09-14

大口径激光二极管阵列的高效泵浦耦合技术研究

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