Yb离子抽运动力学及脉冲储能特性研究

从准三能级Yb离子的能级结构出发，建立了Yb离子的抽运和激光速率方程，结合解析和数值方法，研究了Yb激光介质的抽运动力学过程，包括抽运激发效率、最低抽运强度、激光能量提取效率等关键参数.比较了三类典型的Yb激光介质性能：Yb:S-FAP,Yb:YAG以及Yb:FP-glass.以放大自发辐射(ASE)为设计判据，重点研究了脉冲储能型Yb激光器的设计准则，包括增益介质的厚度与掺杂浓度.最后利用此模型给出了基于Yb:S-FAP以及Yb:YAG的100J级二极管抽运固体激光器(DPSSL)的总体设计参数.将对基于Yb激光介质的脉冲储能型DPSSL的设计提供有益的参考. 关键词： Yb离子 速率方程 抽运动力学 二极管抽运固体激光器     

脉冲激光诱导光纤损伤的测试方法

 针对传能光纤的高峰值功率激光损伤过程，研究了光纤损伤测试方法。实验装置搭建中增加了定位孔，有利于激光注入光纤对准；分别采用刀口法和CCD法对入射光束不同截面处光斑大小进行了测量，两种方法的测量结果基本一致。参考GJB1487-92激光光学元件测试方法和ISO11245光学表面的激光诱导损伤阈值测试方法，采用N-ON-1损伤测试和有效光斑面积计算方法对芯径为400 μm的石英包层阶跃折射率石英光纤进行了损伤阈值测试。实验发现：光纤损伤部位全部为入射端面，利用200倍显微镜观察光纤端面，出现明显永久性损伤点。最后采用统计学原理和线性拟合等方法得出测试光纤的端面零概率损伤阈值为3.85 GW/cm²。     

Cr4+:YAG被动调Q激光器输出特性

采用理论与实验相结合的方法研究了激光二极管阵列泵浦的Cr4+:YAG被动调Q Nd:YAG激光器的输出特性.重点分析了调Q晶体小信号透过率和反射镜的反射率对激光器的输出能量、脉冲宽度的影响.对数值模拟结果进行了实验验证,数值计算与实验结果基本一致.研究结果表明,在特定的激光晶体参数下,Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出能量与脉冲宽度由调Q晶体的小信号透过率和输出镜的反射率决定:输出能量随着小信号透过率增加而减小,对应于一个调Q晶体透过率,有一个最佳反射率使输出能量最大;脉冲宽度随着初始透过率与反射率的增大而增大.     

重频Yb:YAG片状激光器电光调Q时空演化模拟计算和实验研究

基于Yb3+抽运动力学,结合光线追迹的方法,建立了抽运过程中的放大自发辐射模型,得到激光介质中三维含时储能分布.将速率方程理论和角谱传播理论结合,对谐振腔内调Q脉冲的形成、传播过程进行建模计算,得到激光脉冲的时间-空间分布和光束质量因子变化规律.同时进行了激光二极管抽运重频Yb:YAG片状激光器电光调Q实验,并与模拟计算的结果进行了对比校核,印证了计算模型的正确性.这为主动调Q固体激光器的设计提供了参考.     

高功率二极管列阵泵浦固体激光泵浦耦合优化设计

 高功率二极管阵列泵浦固体激光系统的核心在于泵浦耦合技术,泵浦耦合直接决定了系统的成本、增益能力、增益均匀性、泵浦引发动态波前畸变和泵浦引发动态光束漂移等关键问题。通过对用于高功率二极管列阵泵浦固体激光系统泵浦耦合优化设计的3维光线追迹方法的研究,从二极管发光远场属性出发,建立其理论计算模型,对高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器的一种新型耦合方式——二极管列阵拟球面排列、空心镀银导管耦合进行了优化设计,并开展了泵浦耦合效率、泵浦场均匀性、泵浦场传输性等实验研究,实现了72%耦合效率、5 mm内80%传输效率的均匀平顶泵浦耦合场输出,理论计算与实验结果符合较好。     

激光二极管泵浦的重复频率大能量低温Yb:YAG激光器设计

为实现重复频率大能量激光输出,基于Yb:YAG激光介质低温下良好的热特性和激光特性,设计了12kW高功率激光二极管(LD)阵列泵浦的V型腔低温Yb:YAG激光器(液氮温度)。对于泵浦耦合系统和散热结构两个关键点,分别使用光线追迹方法和有限元方法进行了分析,提出了楔形真空窗口和低温热管等解决方案。模拟结果表明,该设计的激光器热效应较低,可实现重复频率大能量输出。     

边界主动加热管理平均功率普克尔盒热效应

建立了平均功率激光辐照下,边界主动加热的电光晶体内3维各向异性热传输有限元模型及其热应力双折射模型,在此基础上分析了等离子体普克尔盒热效应。提出了边界主动加热控制电光晶体横向温度梯度热管理思想,并给出平均功率普克尔盒的光开关性能。结果表明:对于50J/10Hz、光束口径为50mm×30mm的激光系统,普克尔盒最大退偏损耗为3.58%,平均退偏损耗为0.9%,波前畸变为1.59λ。采用边界加热控制后,当加热功率密度为500W/m2时,最大退偏损耗为0.17%、平均退偏损耗为0.05%、波前畸变为0.26λ,普克尔盒热效应显著降低,满足设计要求。     

角锥棱镜阵列谐振腔的输出特性

 角锥棱镜阵列具有溯源反射和准相位共轭两大特点,可在一定程度上补偿高平均功率固体激光器的热畸变。但由于这种角锥棱镜阵列自身的缺陷和由它构成的谐振腔输出激光模式众多的特点,限制了其在谐振腔中的应用。分析了角锥棱镜阵列谐振腔产生多模输出的原因,提出了采用腔内滤波的方法实现单模输出。理论模拟和实验研究结果表明：利用该方法可较好地改善阵列角锥棱镜谐振腔的输出特性,获得了近5倍衍射极限的输出。     

双色膜V形有源镜结构的固体热容激光器输出特性

 为了避免片状布儒斯特角结构热容激光器由热退偏造成的腔内高动态损耗，采用双色膜技术研制了V形有源镜结构固体热容激光器。该激光器采用曲率半径为5 m的平凹稳定腔结构，共8片Nd:YAG介质，每片介质表面采用双色膜层设计，每2片构成一个模块，由3支氙灯提供能量，激光器由4个模块构成。在双色膜层上，泵浦光透过率大于95%，对1 064 nm光波反射率大于99.7%。在1 ms脉宽重复频率运转条件下，激光输出随时间下降并渐趋平稳；在5 ms脉宽运转时，单脉冲输出47 J，输出峰值功率达9.4 kW，与计算得到的10.11 kW的峰值输出基本相符。该振荡器的总体电光效率达到了1.2%，通过进一步优化后，具备向更高功率定标放大的潜力。     

脉冲储能型重复频率Yb:YAG片状激光放大器ASE效应研究

探讨了脉冲储能型重复频率片状Yb:YAG激光放大器抽运过程中的自发辐射放大（ASE）效应和能量提取过程.在Yb³⁺离子抽运动力学的基础上,建立了抽运过程中的自发辐射放大模型,计算了Yb:YAG晶体中三维含时储能密度分布和全片可提取能量.讨论了不同介质尺寸、掺杂浓度及厚度、介质温度参数下,自发辐射放大对储能的影响.给出了较为优化的设计,将有助于基于Yb激光材料的大能量二极管抽运的固体激光器设计. 关键词： 脉冲储能 Yb:YAG激光放大器 自发辐射放大（ASE）