二极管端面抽运Tm，Ho：YLF固体激光器热效应的研究

论文摘要

二极管端面抽运固体激光器由于体积小、效率高、结构简单、稳定性好等优点而具有广泛的应用前景。但进行端面抽运时,抽运光斑小、能量密度高,会造成热量的大量沉积,引起热效应,导致激光器性能的下降。本论文主要研究二极管端面抽运Tm,Ho：YLF固体激光器的热效应。首先介绍了固体激光器的背景知识和固体激光器热效应的研究概况。然后,运用半经典的速率方程理论对激光晶体中的热转换系数进行了研究。考虑到激光、抽运光的高斯分布和轴向上晶体对抽运光的吸收,将速率方程组进行了离散化处理,对全速率方程进行稳态求解,得到晶体中不同位置处的粒子数分布情况。进而对热转换系数进行了详尽的研究,得到了不同系统参数对热转换系数的影响。由于能量传递上转换效应是影响热转换的重要因素,因此本论文也分析了上转换系数对热效应的影响。本论文根据热传导方程和弹性理论进行了解析推导,得出了与热效应相关的一些参量结果,包括晶体温度、光程差和热焦距等。并利用不同条件下的热转换系数,对晶体温度、光程差、热焦距等进行了研究,给出了抽运功率、模式匹配等因素对热效应的影响。而且,实验测量了热焦距随抽运功率的变化关系,并将之与理论结果进行了对比,发现符合得较好。本论文采用Ansys软件分析了激光晶体的热效应,给出更为直观的理论结果。通过模拟不同抽运功率、不同抽运光斑半径和不同的制冷温度下,晶体内温度分布和应变分布的规律,指出了增大抽运功率和减小抽运光斑半径会进一步导致晶体的温度升高,应变增大,同时造成晶体内温度的不均匀性增大。减小制冷温度,可以使晶体温度降低,但不能改善晶体内温度和应变分布的不均匀性。而且,分析了采用复合晶体和双端抽运方案下的晶体内温度和应变的分布变化情况。与常规条件下的热效应相比,采用复合晶体不仅降低了晶体温度,而且有效地抑制了晶体的端面形变,改善了热透镜效应；采用双端抽运方案在降低晶体温度的同时,明显改善了晶体内温度和应变分布的不均匀性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 固体激光器的背景介绍
• 1.1.1 固体激光器的材料
• 1.1.2 固体激光器的抽运
• 1.1.3 固体激光器的腔结构
• 1.2 固体激光器热效应的研究概况
• 1.2.1 热效应的产生机理与影响
• 1.2.2 热效应的减小途径
• 1.2.3 激光晶体的冷却技术
• 1.2.4 热焦距的测量方法
• 1.3 热效应研究的目的及意义
• 1.4 本论文的研究内容
• 第2章 Tm,Ho:YLF晶体热转换系数的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 Tm-Ho共掺激光器的速率方程模型
• 2.3 热转换系数的求解与分析
• 2.3.1 抽运功率对粒子布居数分布的影响
• 2.3.2 抽运功率对热转换系数的影响
• 2.3.3 模式匹配对热转换系数的影响
• 2.3.4 腔镜透过率对热转换系数的影响
• 2.3.5 晶体长度对热转换系数的影响
• 2.3.6 不出光条件下热转换系数的分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 Tm,Ho:YLF激光器热效应的理论与实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 热效应的理论解析
• 3.2.1 温度计算
• 3.2.2 光程差计算
• 3.2.3 热焦距计算
• 3.2.4 热致束腰计算
• 3.3 热效应的数值模拟
• 3.3.1 温度分布
• 3.3.2 光程差分布
• 3.3.3 热焦距分布
• 3.3.4 热致束腰变化
• 3.4 热焦距的实验研究
• 3.4.1 实验模型
• 3.4.2 输出激光模式测量
• 3.4.3 热焦距测量与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 热效应的Ansys仿真
• 4.1 引言
• 4.2 晶体内温度及应变分布
• 4.2.1 Ansys仿真与数值模拟的比较
• 4.2.2 温度分布
• 4.2.3 端面形变分布
• 4.3 减小热效应的有效途径
• 4.3.1 采用复合晶体
• 4.3.2 采用双端抽运
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢