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四川大学博士学位论文 高功率二极管抽运固体激光器的热效应分析 光学专业 研究生欧群飞指导教师陈建国教授 摘要 随着大功率二极管( l d ) 及二极管阵列( l d a ) 生产工艺的成熟和制造成本 的下降，二极管抽运固体激光器( d p s s l ) 的研究越来越受到人们的重视。由于 l d 发射波长与增益介质的吸收谱非常匹配，因此激光增益介质对抽运光的吸收 效率较高。与传统的灯泵固体激光器比较而言，d p s s l 具有效率高、热效应小、 器件结构紧凑、输出功率高和光束质量好、寿命长等特点。体现了半导体激光 器与固体激光器的双重优点。目前，中小功率的二极管抽运固体激光器已经走 向实用化，在光通信、军事、医疗、航天航空、激光加工及科研等领域中逐渐 出现大规模应用的趋势。而高功率、大能量的d p s s l 也逐渐成为军事、国防、 激光加工等领域的研究热点。也正是由于d p s s l 系统能够产生高功率、大能量、 高重复频率、高光束质量的激光，目前被认为是用于惯性约束聚变能( i f e ) 的 最佳选择之一，因此高功率d p s s l 在i f e 领域中日益受到重视。 在所有的固体激光器系统中，激光介质吸收的抽运光中有一部分转变成热 能沉积在介质内部，同时，激光介质受到外界的冷却，使得激光介质内部形成 非均匀温度分布；温度分布的不均匀，在介质内形成热应力，导致介质的折射率 发生变化，进而引起一系列的热效应问题，如热致双折射、热退偏、热致波面 畸变、热应力破坏等。尽管d p s s l 相对于传统闪光灯泵浦的固体激光器而言大 大降低了热效应的影响，但是随着l d a 抽运光功率的进一步提高，激光介质的 热效应问题仍然是限制i ) p s s l 向高功率高光束质量发展的一个重要制约因素， 对整个激光装置的性能价格比的影响非常突出。因此研究d p s s l 的热效应问题 具有重要的实际意义。本文重点研究了不同工作参数条件下的高功率d p s s l 的 介质热效应，以及重复脉冲辐照下的光学元件的热效应问题。主要研究结果包 四j f i 大学博士学位论文 括如f 几个方向： l 、针对高功率l ，d a 端面抽运片状激光器，采用有限单元法编制了介质内的 三维温度分布和热致波面畸变的模拟程序，对不同激光介质材料、不同介质儿 何尺、j 和l 。作条什等情况汁算m 放火介质内的三维温度分布和介质温升对被放 大激光波前造成的热光畸变，可反映出热效应对光束质量的影响。计算模拟表 明，l d a 端面抽运激光放大器的介质热效应引起的光束波前畸变总体卜来说比 较小，因此采用这种端面抽运方案能够获得高功率和高光束质量激光输山。但 是， ：激光介质片的厚度太大，则介质中的温差较大，较大的温差将会造成小 可忽略的、v j 退偏，由r 放大器采用的是通过偏振实现多通放人方案，会造成 光束不能令部导出的问题。从热畸变的角度来看，应该选择较薄的放人介质： 但较薄的介质刈l ，d 抽运光的有效利用就会大大降低。冈此，可考虑采用多个薄 ，j 介质重替的方式，每个薄；之间有微小距离，在吸收大部分抽运光能量的 同时还能保持较低的热效应水平。 2 、详细研究了环形l d 连续抽运激光棒中的稳态和瞬态热效应。从1 d 抽运源m 发，采用光线追迹方法获得激光棒中的抽运光场分布，并掘此获得介 质内的热沉积分布，在此基础上采用有限元方法计算r 不同棒半径、不同输入 功率等条件下工作物质中的温度分布和热应力分布。计算模拟结果表明，不同 的抽运结构参数_ f 的抽运能量分布不同，其温度分布也就不同；达到稳态所需 时间随棒半径增人而增加，而不受抽运功率的影响；抽运功率越大，棒内温差 增人，热应力也越大，热效应引起的相对光程差就越大，波前畸变就越厉害， 引起的热致退偏也就越严重，在热退偏图案中的环数就越多：瞬态光程差分们 及同消色线退偏图案的环数与棒内瞬态温升分布有关，前者随着后者的增加而 增加，到达稳态后将不再改变；热破坏主要集中于激光棒中心区域和表面区域。 3 、对高功率环形l d a 重复脉冲抽运棒状激光( 放大) 器，采用光线追迹方 法和有限元方法，分别训算出了抽运过程中、抽运空刚过程中以及不同抽运频 率和占空比情况下棒内的温度分布、热致双折射和热致波面畸变等。结果表明， 重复脉冲抽运时，棒内温升和热致双折射光程差随时间的变化呈锯齿形分布。 mr 激光器冷却系统不能将沉积在介质中的热能及时带走，棒内残余温升的不 断秋累导致棒内温度随时间逐渐升高，最后温度随时间周期性变化，频率等丁 四川大学博士学位论文 l d 抽运频率。抽运频率越高或占空比越大，棒内温升就越高，温度达到周期性 变化的时间就越长，温度周期性变化幅度也越大。激光介质的残余温升对下一 个入射激光脉冲引起严重的热致波面畸变，热致波前畸变在棒中心最为厉害， 相位畸变也最大。 4 、对重复周期脉冲辐照下的圆形玻璃介质中的温升和热致波面畸变进行了 深入研究。充分利用了激光脉冲的周期性特征，推导出稳定周期运行的光学元 件 的温升分布，以及由此带来的对入射激光波前的热畸变。特别的，我们针 对鬼点位于光学元件表面中心点这种特殊情况，推导出周期温升的解析表达式。 光学元件温升引起的相位畸变是一个不容忽视的问题，特别是当强激光脉冲经 过一系列光学元件后，这些相位畸变不断的累加起来，将有可能对整个光学系 统造成灾难性破坏。一些高功率激光系统要求由k e r r 效应引起的相位畸变必须 小于n ，此时，介质温升和形变引起的相位畸变将不能被忽略，必须采取有效 措施来降低光学元件的介质温升，否则热效应将加剧自聚焦，引起输出功率下 降，光束质量变差，甚至引起光学元件的破坏。因此在某些高功率激光系统中， 有必要对光学元件采取主动冷却的措施，比如水冷、传导冷却等。 5 、开发了一套研究环形l d a 侧面抽运棒状激光器热效应的计算分析软件， 可对不同工作物质、不同工作条件、不同工作方式下的棒状激光介质内的三维 稳态、瞬态温度分布、热应力分布、热退偏、热致波面畸变等一系列热效应问 题进行计算机数值模拟。为高功率环形l d a 侧面抽运棒状激光( 放大) 器的优 化设计提供参考。 关键词：二极管抽运固体激光器；热光畸变：动态热效应；热效应分析软件。 牛本论文得到国家自然科学基金委一中国工程物理研究院联合资助 项目( n o 1 0 1 7 6 0 1 9 ) 的资助。 i i i 四川i 大学博上学位论文 a n a l y s iso ft h e r m a le f f e c t si nh i g hp o w e rd i o d e p u m p e ds o lid s t a t e l a s e r s m a j o r ：o p t i c s p h d ：o uq u n f e i s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nj i a n g u o a b s t r a c t a 1o n gw i ( ht h er a p i dd e v e i o p m e n to ft h et e c h n iq u e sa n de v e rd e e r e a s ( ( ) it h ec o s to fh l g hp o w e rl a s e r 、d i o d ea r r a y s ( a b b r e v i a t e dt o 【d a s ) ，d i o d e p u m p e ds 0 1j ( 卜s t a e a s e c ( a b b r e v i a t e dt od p s s l ) i sp a l dg r e a ta t t e nl j o r l a o v e rt h ew o f l d a st h ee m i s s i 0 s p e c t r u mo fal a s e rd i o d e ( a b b r e v l a t e d t oi d ) c a db em a d et om a t c ht h ea b s o r b i n gs p e c t r u mo fl a s e rg a inm e d i u m ah i g ha b s o r b i n ge f f i c ie n c ym a yb er e a l i z e de a s i l v c o m p a r e d w i th t r a d i t i o n a ls o l i ds t a t el a s e r sp u m p e db yf l a s hl a m p s d p s s lh a sal o t o fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g he “i c i e n c y ，l e v it h e r m a le l f e c t s ，c o m p a c t s t f u c t t l r e ，h i g hp o w e ro u t p u t ，e x c e l e n tb e a mq u a l i t y ， e n gs e r v i c et i i h e ， a n ds o ( 7 1 3 b yn o w ，t h ed p s s l sw i t h s m a l l o u t p u tp o w e r h a v eb e e n c o m m e r c i a l1yu s e di nt h ef i e i d so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n m i l i t a r y m e d i c a t r e a t m e n t ，s p a c e f l i g h t ，l a s e rm a c h i n i n ga n ds e l e n t i f icr e s e a r c h e t c a n dt h eh i g hp o w e ra n dh i g he n e r g yd p s s l sa r em o r ea n dm o r ep a id a t t e n t io ni nt h ef i e l do fm i t i t a r y n a t io n a ts a f e t ya n dl a s e rm a t h in 】n g e t c 7 ed 5 5 。s y s t e m sw it hh jg hp o w e r h i g he n e i g y 、hig hb e a mq u a o u t p u t a n dh ig hr e p e a t i n gf r e q u e n c y ，a r er e g a r d e da so v l eo ft h e c l i o i c et or e a liz et h el l i ert i a lf u s i o ne n e r g y ( a b b f e v i a t e dt oi f t ! l t y e s t a sw ( 、lkr l o w n ine v e r ys o l i ds t a t e1 a s e r ap o r t i o i lo fa b s or b ec l v 四川大学博士学位论文 p u m p i n ge n e r g yw i l lb et r a n s f o r m e di n t oh e a ta n dd e p o s i t e di nt h ea c t i v e m e d i u m ，i nt h em e a n t i m e ，t h ea c t i v em e d i u mi sc o o l e db ys u r r o u n d i n g r e f r ig e r a n t ，w h i c hc a nb eg a so r1 i q u i d u n d e rt h ee f f e c to fh e a t d e p o s i t i n ga n dt h ee f f e c to fc o o l i n g ，a ni n h o m o g e n e o u st e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nw i l la r i s ei nt h ea c t i v em e d i u m t h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n a n df o ll o w i n gt h e r m a ls t r e s si n e v i t a b l yi n d u c e dc h a n g e so ft h eg e o m e t r y s i z ea n dr e f r a c t i v ei n d e xo ft h eh o s tm e d i u m ，w h i c h ，i nt u r n ，c a u s ea s e r i e so ft h e r m a lr e l a t e dv a r i a t i o n so ft h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e m e d i a ， s u c ha ss t r e s si n d u c e d b i r e f r i n g e n c e ，t h e r m a l l yi n d u c e d d e p o l a r i z a t i o n ，t h e r m a l i yi n d u c e dw a v ef r o n td i s t o r t i o n ，s t r e s si n d u c e d d e s t r o ya n ds oo n ，a l t h o u g hd p s s lm a ys u s t a i nar e l a t iv e l yh i g h e rt h e r m a l 1 0 a dt h a nf l a s hl a m pp u m p e ds o li ds t a t el a s e r ，t h e r m a le f f e c t ss t il1 t oc e r t a i ne x t e n t ，r e s t r i c tt h ed p s s lf r o mg i v i n go u tt oah i g hp o w e r a n dh i g he n e r g yo u t p u ta sd e s i r e d t h et h e r m a le f f e c t ss e r i o u s l yr e d u c e t h ep e r f o r m a n c e t o p r i c er a t i oo ft h ed p s s l t h e r e f o r e ，s t u d i e so nt h e t h e r m a le f f e c t si nd p s s ls y s t e m sa r eo fc u r r e n ts i g n i f i c a n c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h et h e r m a le f f e c t si nd i f f e r e n th o s tm e d i ao fh i g hp o w e r d p s s l u n d e rd i f f e r e n t p u m p i n gg e o m e t r i e sa n dd i f f e r e n to p e r a t i o n c o n d i t i o n sh a v eb e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y ，a n dt h et h e r m a ld i s t o r t i o n s d u et ot e m p e r a t u r er i s eo fo p t i c si r r a d i a t e db yp e r i o d i c a l l yr e p e a t e d s h o r tl a s e rp u l s e sh a v e b e e na n a l y t i c a l l ys t u d i e d t h em a i nr e s u l t s o b t a i n e di nt h ed i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o ll o w s ： f i r s t l y ，a3 - d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d et h eg a i n m e d i u mo fah i g hp o w e rd i s kl a s e re n dp u m p e db yt h el d aa n di n c u r r e dw a y e f r o n td i s t o r t i o no ft h e1 i g h tw a v ea f t e rp a s s i n gt h r o u g ht h eg a i nm e d i u m h a v eb e e ns t u d i e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h et e m p e r a t u r e sa n d d i s t o r t i o n sf o rd i f f e r e n th o s tm e d i aw i t hd i f f e r e n tg e o m e t r ys i z e sh a v e b e e nc a l c u l a t e dn u m e r i c a l l y ，w h i c hi n d i c a t e st h et h e r m a ld e t e r i o r a t i o n o nt h eq u a li t yo fl a s e rb e a ma m p l i f i e db yt h eh o s tm e d i a t h er e s u l t s v 四川大学博士学位论文 s h o wt h a tt h et h e r m a l l yi n d u c e dw a v ef r o n td is t o z t i o ni sr e l a t i v e l ys m a l l i nt h ee r l d p u m p e dd i s kl a s e ra m p l i f i e r ，b e c a u s et h eh e a tf l o wi sr o u g h l y c o in c id e n tw i t ht h ep r o p a g a t i o nd i r e c t i o no ft h ea m p l i f ie d1 a s e rb e a m t h u s t h eh i g hp o w er1 a s e ro u t p u ta n dh i g hb e a mq u a l i t yc a nb ere a l lz e d u n d e rth ee n dp u m p e dd i s kc o n f i g u r a t i o n h o w e v e r ，i ft h em e d i u md is kis t o ot h ic k t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ew i l lb el a r g ea n dc a u s os i g n l f ic a n t s t r e s si n d u c e dd e p o t a t jz a t i o n ，w h i c hm a y1e a dt oap r o b le mt h a tt h e1 a s e r b e a mc a n n o tb ed u m p e do u to ft h ei a s e rs y s t e mw h e nt h et e c h n 0 1 0 9 yo f f l u l t ip a s sa m p l i f i c a t i o nw it hp o l a r i z e dl a s e rb e a mi su s e d s o f r o mt h e v i e wo ft h e r m a ld isl ( 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a ls t r e s sm a y b ec a u s e ss e t i o u sp r o b l e n l ss u o ha s v 四川大学博士学位论文 f r a c t u r ea r o u n dt h ec e n t e ra n ds u r f a c eo ft h el a s e rr o d t h et h e r m a l l y i n d u c e db i r e f r i n g e n c ea g g r a v a t e st h ed e p o l a r i z a t i o nw h e nt h el a s e rb e a m isp o l a r i z e d ，a n dt h er i n g so ft h ed e p o l a r i z e do u t p u tp a t t e r nm a n i f o l d w i t ht h ep u m pp o w e r ，t h et r a n s i e a tb i r e f r i n g e n c et e l a t e do p t i c a lp a t h d i f f e r e n c ea n dt h et r a n s i e n td e p o l a r i z e do u t p u tp a t t e r nc h a n g ew i t ht h e t r a n s i e n tt e m p e r a t u r er i s ed y n a m i c a l l y ，a n df i n a l l yt ot h es t e a d ys t a t e t h i r d l y ，t h e t r a n s i e a tt h e r m a le f f e c t si n r i n g l d a p u l s e s i d e p u m p e dl a s e r ( a b b r e v i a t e dt or p s p l ) h a v eb e e ns t u d i e di n d e t a i1 b yu s i n gt h er a yt r a c i n gm e t h o da n df i n i t ee i e m e n tm e t h o d ，t h e t e m p e r a t u r er i s e s ，t h es t r e s si n d u c e db i r e f r i n g e n c ea n dt h et h e r m a l l y i n d u c e dw a v ef r o n td i s t o r t i o n sh a v e b e e nn u m e r i c a l l vs t u d i e du n d e r d i f f e r e n tp u l s er e p e a t i n gf r e q u e n c ya n dd u t yc y c l e t h er e s u l t ss h o wt h a t a tt h eb e g i n n i a g ，t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r er i s e ，a n dt h er e l a t l v e o p t i c a l l e n g t hd i f f e r e n c e ( a b b r e v i a t e dt oo p d ) d u et ot h et h e r m a l b i r e f r in g e n c e ，i n c r e a s ew i t ht h en u m b e ro f p u m pp u l s e sf o ll o w i n ga s a w t o o t h e dl i k ec u r v e ，a n df i n a l l ya f t e ran u m b e rp u l s e s ，r e p e a t si t s e l f a tap e r i o de q u a lt ot h a to ft h ep u m pp u l s e s ，w h i c hi sc a l l e da st h e p e r i o d i c a ls t a t ei nt h i sw o r k t h eb i g g e rt h er e p e a t i n 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ea n dt h e r m a ls t r e s s ，i nr o t a t i o n a l l ys y m m e t r i ca n d 四川i 大学博士学位论文 ls o t t o p ico p t , i e e le l e m e n t si r r a d i a t e db yp e r i o d i c a l l yr e p e a t e ds h o r t p u l p e t m a k m s ，h a v eb e e n siu die d t h ea r i a l y tic a e x p r e s s i o n s o ft h e o d l ( 、a 1 1yv a r y i n st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sh a y e b e e no b t a in e db v n gf u 】l l s eo ft he ! p e r i o d ic it yo ft h ep u l s e d a s e rs y s t e m e s p e c i a l ly la n a iy tic a le x p r e s s i o no ft h ep e r i o d i c a lt e m p e r a t u f er is # h a sb e e n g i v e it 1 0 1 、th ec a s eo f g h o s ti m a g e sg e n e r a t e dl nt h ec er l t e l o f h e 洲r f a c e o f o p tic s 1 1 h e1 1 e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ep a l a r iz a t io ni n d e p e n d e n l lp h a s e d is lrh t l ii ( ) n sd u et ot h e l l m a ld e f o r m a t i o n so f1 ，h eo p t i c a le l e m e n tm a yb e ap r n b le mo f lc ( ) t l c e r n 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nr i n g l d as i d e p u m p e ds 0 1 id - sl a t e l a s c fr o d b yu s i n gt h et e as o f t w a r e ，a3d i m e n s i o n a lt r a n s ie n ta n d sr e a d y se a t p t e m p e r a t u r 、e ，t h e r m a ls t r e s s ，t h e r m a ld e p o l a r iz a i 0 1 1 ， t h e r m a l1v1n d u c e dw a v ef r o n td i s t o r t i o ne t e c a nb e e nc a l c u l al e df o r d i f i 、er e l l ih o s tm e d i a ，a n du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，w h ic h - a r th eu s e dt oo p t i m iz el h ed e s i g no fh i g hp o w e rr l n gl d as i d e p u m p e d f0 ( 1l a s o r so ra m p lif i e f s k e y w or d s ：d i o d e p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ( d p s s l ) ；t h er m o o p t ic d is l ( ) r tio i l ；d yr l a l n i ct h e r m a le f f e c t ；r h e r m a le f t e c ta n a l y s i ss o f t w a r e 十1 h isw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n e ef o u n d a t i o n o fc h jn a n o 1 0 1 7 6 0 1 9 四川i 大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 激光二极管抽运固体激光器简介 激光二极管抽运固体激光器( d i o d ep u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ，简称 d p s s l ) 是采用激光二极管( l a s e rd i o d e ，简称l d ) 或激光二极管阵列( l a s e r d i o d ea r r a y ， 简称l d a ) 作为固体激光器的抽运源、代替闪光灯对激光增益 介质进行抽运的一类激光器。由于l d 发射波长与增益介质的吸收谱非常匹配， 因此激光增益介质对抽运光的吸收效率很高，相比于传统的闪光灯泵浦，能量 转化效率大大提高。与传统的灯泵固体激光器比较而言，d p s s l 具有效率高、 热效应小、器件结构紧凑、输出功率高和光束质量高、寿命长等特点，体现了 半导体激光器与固体激光器的双重优点“。目前，中小功率的二极管抽运固体 激光器已经走向实用化，在光通信、军事、医疗、航天航空、激光加工及科研 等领域中逐渐出现大规模应用的趋势。而高功率、大能量的d p s s l 已经成为军 事、国防、激光加工等领域的研究重点，特别是在惯性聚变能( i n e r t i a lf u s i o n e n e r g y ，简称i f e ) 领域越来越受到重视。 1 11 d p s s l 发展历史简介 d p s s l 的历史可以追溯到2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 2 年第一只g a a s 激光二极管 的问世为d p s s l 提供了物质条件0 1 。1 9 6 3 年，美国人n e w m a n 首次提出了用半导 体做为固体激光器的抽运源的构想。1 9 6 4 年，k e y s 等人“采用了在4 k 温度下 工作的g a a s 二极管抽运u ”：c a f ：晶