论文总字数：24499字

摘 要

本文以设计全固态激光器的最佳耦合参数为目的，分析了泵浦光与工作物质的耦合方式、谐振腔的结构特性以及光光转换效率，调节已有激光器并观测相关特性分析最佳参数。

论文借助Tracepro软件对泵浦光耦合进行了简易的仿真模拟，得出第二面耦合透镜与激光晶体的距离约为38mm时耦合状态最佳，同时给出了转换效率的理论计算方法，计算光光转换效率约为42.52%。通过控制变量法实验测量了影响转换效率的各个因素，得出第二面耦合透镜与激光晶体的距离处于35～40mm之间、谐振腔长度为100mm左右时激光器输出状态最佳的结论，与理论相符；通过实验数据计算得出激光器的转换效率约为34.9%。所得结₌果对于全固态激光器的泵浦耦合以及转换效率的理论分析具有借鉴意义。

研究结果表明：对光-光转换效率的理论分析存在一定的误差，实际中由于谐振腔内损耗等诸多误差而无法获得理论上的光光转换效率。

本文特色：对泵浦光与工作物质的耦合方式以及光光转换效率进行了理论分析和实验测量，分析了产生误差的相关因素。

关键词：半导体激光泵浦Nd:YAG激光器，泵浦耦合，转换效率

Abstract

For the purpose of designing the optimal coupling parameters of all-solid-state lasers, this paper analyzes the coupling mode of pump light and working material, the structural characteristics of the resonant cavity and the light-to-light conversion efficiency.

The paper uses Tracepro software to perform a simple simulation of the pump coupling. It is concluded that the distance between the second coupling lens and the laser crystal is about 38mm When’s more, the theoretical calculation method of conversion efficiency is also given. The calculation result is about 42.52%. The experimental part used the control variable method to analyze what affects the conversion efficiency.And when the distance between the second surface coupling lens and the laser crystal is between 35-40 mm and the resonator length is about 100 mm, the laser output is the best, which is consistent with the theory. Through the experimental data, the conversion efficiency is calculated to be about 34.9%. The conclusion is of reference significance for the theoretical analysis of the pump coupling and conversion efficiency of all-solid-state lasers.

The results of the study show there is a certain deviation in the theoretical analysis of the conversion efficiency. In practical, due to various errors, the theoretical light-light conversion efficiency can’t be obtained.

The article features: Theoretic analysis and experimental measurement of the coupling method of pump light and working substance and the light-to-light conversion efficiency are carried out, and analyzed the relevant factors that produce errors.

Key Words：Semiconductor-pumped Nd: YAG solid-state lasers, pump coupling, conversion efficiency

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 全固态激光器研究背景 1

1.2 全固态激光器研究进展 2

1.3 本文研究内容 4

第2章 半导体激光泵浦与光光转换过程分析 6

2.1 半导体激光泵浦源 6

2.1.1 半导体激光器制冷系统 6

2.1.2 808nm泵浦源结构 6

2.1.3 808nm泵浦源的阈值条件 8

2.2 泵浦光耦合系统分析 9

2.2.1 耦合系统 9

2.2.2 耦合系统对光斑半径的变换 10

2.2.3 Tracepro软件模拟光斑半径 12

2.2.4 腔镜位置及稳定腔条件 13

2.3 Nd:YAG晶体特性 13

2.4 光-光转换效率分析 15

2.4.1 Nd:YAG激光器阈值 15

2.4.2 转换效率理论计算 15

第3章 808nm激光泵浦Nd:YAG激光器特性测量 17

3.1 实验装置 17

3.2 实验装置的共轴调节 17

3.3 泵浦源I-P曲线 18

3.4 固体激光器输出功率及转换效率 18

3.4.1 最佳耦合调试 18

3.4.2 耦合系统聚光效率 19

3.4.3 输出1064nm功率 19

3.5 实验数据及分析 20

3.5.1 半导体激光器I-P特性 20

3.5.2 激光器输入输出特性 21

第4章 总结和展望 26

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

半导体激光器泵浦的固体激光器（英文全称Diode-pumped solid-state laser，缩写DPSSL）拥有转换效率高、使用寿命长、输出功率高等一系列优点，在军事、医疗、工业加工等领域有广泛的应用前景，是激光器领域的研究热点之一。本章介绍了DPSSL的应用背景、研究现状和发展趋势，同时介绍了论文的主要内容。

1.1 全固态激光器研究背景

固态激光器的工作物质通常是绝缘晶体或玻璃将晶体中替换为的物质称为掺钕钇铝石榴石，简称Nd:YAG。从激光能级系统分析，Nd:YAG激光器是四能级系统，具有受激辐射截面积大、量子效率高等优点，且易于散热，与红宝石激光器和钕玻璃激光器相比阈值更低，因此Nd:YAG激光器还能用于高频连续运转。目前，Nd:YAG连续激光器的最大输出功率已突破1000W，调Q激光器（重复频率为几十赫兹）的峰值功率可达几百兆瓦^[1]。

传统的Nd:YAG激光器用脉冲氙灯和氪灯作泵浦源，缺点是效率低且维护周期短。而半导体激光器(Laser Diode，简称LD)的发射光谱很窄，与Nd:YAG的吸收光谱相匹配，因此用半导体激光泵浦的Nd:YAG激光器具有更高的转换效率，同时也避免了泵浦源光谱中的非吸收光辐射导致工作物质吸热产生热透镜效应^[2]，降低了对温控系统的需求，提高了光束质量，使输出激光具有更好的频率稳定性和更窄的线宽。另一方面，半导体激光泵浦Nd:YAG激光器相比LD具有更高的时空相干性和激光输出功率。半导体激光泵浦的Nd:YAG激光器作为一种小型相干辐射光源，同时兼具了半导体激光和固体激光的优点，已成为当前激光技术发展的主流方向之一^[3]。

近年来，DPSSL逐渐成为激光应用领域内的热门器件之一，其主要应用方向包括：

工业加工方面，可用于激光加工、微加工、精密加工等，目前现有的大多数激光加工均将1 波段的全固态激光器作为首选光源。国外已经成功实现将两千瓦的Nd:YAG激光器用于汽车焊接，相比于通常的焊接装置，具有体积小、效率高等优点。

激光武器方面，LD泵浦的Nd:YAG激光器逐渐取代了传统光源泵浦激光器在军事领域内的地位并得到了广泛应用，尤其是美国在该方面取得了较大突破。2010年，美军的联合高能固体激光器计划（JHPSSL）取得了较大进展，获得了超过100kW输出功率且高光束质量的激光武器系统^[4]；2013年，波音公司根据美国国防部的耐用电子激光倡议，研制出了一种高能激光武器系统，其输出功率达到30kW，具有高可靠性、高机动性和可维修性，基本能用于实战。此外，美军还提出了“圣剑”和“闪电”项目，将光纤激光阵列搭载到飞行平台上，用于平台自卫或中程弹道导弹拦截，现今两个项目均取得了一定的进展^[4]。

图1.1 美军“圣剑”项目相控阵列激光器结构

激光医疗方面，激光应用在生物学和基础医学等领域中具有重要地位，如利用激光技术进行精细加工、制造微小型医疗仪器等。此外，利用全息技术的生物体信息记录及医疗信息光通信从广义上讲也属于激光在医学中的应用^[5]。

1.2 全固态激光器研究进展

全固态激光器出现于20世纪60年代，世界上第一台由半导体激光器泵浦的固体激光器于1964年在美国诞生。1968年，麦道公司首次实现了采用GaAs LD泵浦的Nd:YAG激光器^[6]。1971年，第一台能在室温下正常工作的半导体激光泵浦Nd:YAG激光器问世，使得该技术有了较大突破。但受限于LD的低输出功率、低转换效率等因素，DPSSL发展较为缓慢。

20世纪80年代后，半导体技术取得了显著进步，量子阱结构的提出大大改善了LD的输出特性，促进了DPSSL技术的发展。此后，半导体激光泵浦固体激光器技术的发展可以主要概括为两方面：提高激光器的转换效率和输出脉冲特性；在维持转换效率的前提下提高激光器的工作稳定性。

在提高激光器的转换效率和脉冲特性方面，研究相对广泛，技术更为成熟。1987年，通过侧面泵浦的方式，LD激励的Nd:YAG激光器得到了峰值功率超过20W的1064nm激光输出。1992年，美国劳仑兹-里弗莫尔国家实验室报道了超过1kW输出功率的半导体激光泵浦Nd:YAG激光器^[7]，这标志着DPSSL技术取得重大突破。2001年，Akiyama等学者通过LD端面泵浦Nd:YAG 晶体，输出激光功率达到5.4kW，电光转换效率为22%，达到了当时的最高水平。2010年，维也纳技术大学报道了被动调Q的Nd:YAG激光器，脉冲能量为毫焦量级，中心波长946nm，重复频率为10Hz时其单脉冲能量超过2mJ，脉冲宽度为14ns。该激光器对于高功率蓝光激光器的产生具有实际意义。时至今日，随着LD技术的发展，提高转换效率及脉冲特性方面的技术已经较为成熟，激光器输出功率、重复频率、脉冲宽度等各个指标都得到了优化^[8]。

我国在提高激光转换效率方面技术取得了较大成果。在小输出功率全固态激光器激光技术方面，我国已经实现了工业化的量产，并且物美价廉，在国际市场上广受欢迎；但是在高功率DPSSL方面还较为落后，很大一部分处在实验研究阶段，无法进行工业化的生产^[9]。1996年，中科院物理所研制出了重复频率为100Hz的1064nm全固体激光器^[9]。此后，复旦大学在2001年利用激光二极管泵浦Nd:YAG 晶体实现了我国第一次的946nm连续激光输出。2003年，中国科学研究院半导体研究所用多个激光二极管泵浦Nd:YAG晶体，实现了输出功率为38W的连续激光输出，其光-光转换效率超过20%。2008年，中科院长春光机所使用原子掺杂浓度0.1at.%的晶体，通过控制腔镜介质膜参数得到了914nm激光输出^[10]，其阈值抽运功率8.5W，抽运功率为31W时激光输出功率7.2W，光-光转换效率23.2%，激光斜效率达到32%。2017年，上海光机所马剑等人运用电光调Q技术实现了重复频率为100Hz的LD光纤耦合端面泵浦Nd:YAG激光器，泵浦能量为84.3mJ时最大脉冲能量11mJ，斜效率达到了18.6%。

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