高平均功率全固态脉冲和频钠信标激光器技术研究

论文摘要

高平均功率全固态脉冲和频钠信标激光器具有平均功率高、线宽可调谐展宽、重频长脉冲工作、结构紧凑等特点,与钠层原子相互作用时存在饱和阈值高、后向共振回光强、信噪比高等优势,是人造激光导引星全季节全天时应用化问题的有效解决方案。研究高性能钠信标激光器不仅可以为人类的天文学高分辨观测和成像提供重要的科学工具,而且还有助于促进先进全固态激光器技术的进步和发展。本论文从钠信标产生原理出发,对高平均功率全固态脉冲和频钠信标激光器的腔外和频物理过程、基频激光产生与放大、调制纵模的光谱特性等进行了深入的研究和探索,主要研究内容和创新点如下:1.针对实际高平均功率激光系统中高阶高斯光束聚焦光斑、入射激光任意功率配比、存在热致相位失配的大信号和频过程,建立了高平均功率高斯光束高效率和频理论模型（简称三高和频理论模型）,突破了已有理论的局限性。提出采取有限元与龙格-库塔方法对该模型进行数值求解,并计算获得了晶体长度、束腰半径、吸收系数、总入射功率、光束质量等参数对和频转换效率的影响关系。基于三高和频理论模型,提出了一束1064nm强光与一束1319nm弱光非匹配性注入三硼酸锂（LBO）晶体和频实现高平均功率589nm激光的方法,当1064nm与1319nm光束质量M2分别为1.8、3,总入射功率在250W～300W,LBO晶体吸收系数为30ppm时,选择50mm或60mm长度的和频晶体并优化基频激光的模式匹配,可获得40%以上的和频效率,即可实现100W以上平均功率的钠信标激光。2.提出了一种新型的钠信标激光器谱线结构——调制纵模及其实现方法。选择一个超窄线宽连续单纵模激光器作为1064nm激光的初始种子源,利用白噪声源电光相位调制技术对单纵模激光线宽进行展宽,并采用通过腔内插入组合标准具技术将1319nm激光设计为亚GHz的多纵模激光,然后通过两束激光的和频即可产生调制纵模钠信标激光。验证实验结果表明,当1064nm单纵模激光初始线宽小于100kHz时,通过调制展宽可实现0.43GHz～0.58GHz的线宽调谐范围,1319nm多纵模激光线宽约0.30GHz,二者经LBO晶体和频后最终实现589nm激光线宽0.31GHz～0.74GHz范围的调谐,实验结果与理论分析计算结果基本吻合。这是国际上公开报道的首个线宽可调谐的钠信标激光器。3.采取光纤激光器和块状固体激光器混合放大技术实现了超高增益、高光束质量、匀滑长脉冲1064nm激光输出。1064nm激光器通过对连续单频光纤放大器强度调制斩波产生150mW、M2～1.15的重频百微秒长脉冲种子激光,并经过两级固体放大器进行功率定标放大。建立了表征放大器输出激光特性的非稳态放大理论模型,并且发现预放大器的实验结果与理论计算值的相对误差介于-12.4%至7.32%之间,主放大器实验结果与理论计算值的相对误差介于-10.8%至-4.3%之间。1064nm激光器最终输出平均功率214W（注入LBO晶体有效线偏光209W）,相对于连续单频种子激光的总增益约5.7×105倍,光束质量M2≈1.82,脉宽150μs。4.开展了重频长脉冲1319nm多纵模激光的产生与放大特性研究。1319nm激光器设计为主振荡器功率定标放大（MOPA）结构,其中主振荡器为一个高光束质量法布里-珀罗腔产生4.65W、脉宽160μs的基模激光,并在腔内插入倍频晶体抑制弛豫振荡尖峰。放大器采取三组Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）激光模块进行链路式单通放大,实验发现其放大器功率依次为16.3W、51.0W、143W,分别比非稳态放大模型理论值偏小19.7%、7.9%、7.1%。分析第一级预放大器误差偏大的主要原因是其峰值泵浦功率密度高达15.92kW/cm2,分别是后两级放大器的3.34倍、8.08倍,因此其放大自发辐射（ASE）对反转粒子数的消耗要远强于后二者。最终注入LBO晶体的1319nm有效线偏光功率为120W,光束质量M2≈3.04。5.国际上首次实现了单束平均功率106W的近衍射极限589nm和频固体激光输出。首先对LBO晶体的温度相位匹配特性进行了测试,结果发现最大允许温度为8.0K·cm,最小值为6.9K·cm,与理论允许温度7.18K·cm较为接近。其次,对0.11～9.0之间不同功率配比之于和频效率的影响进行了实验研究,结果发现当总注入激光功率超过100W时,功率配比介于1～1.5之间时和频效率的误差基本小于5%,与理论计算结果基本吻合。再次,对3mm×12mm×50mm、4mm×12 mm×60mm两种构型LBO晶体在不同总入射基频激光功率下的和频效率进行了实验研究,结果发现其实际和频效率分别是理论值的0.87～1.16倍、0.74～0.84倍。当4 mm× 12 mm×60mm构型LBO晶体总入射功率319W时,获得106W的589nm激光,和频转换效率约33.2%,光束质量M2≈1.29,脉宽约150μs。6.采用两台性能基本一致、相互独立的激光器,分别输出D2a线（中心波长589.1591nm）钠信标激光、D2b线（中心波长589.1571nm）钠信标激光,然后对其共孔径偏振合束,实现无能量损失、D2b线占比可达50%的208W双线再泵浦钠信标激光器,合束后光束质量β～1.42。应用该激光器开展了钠信标探测与自适应光学校正大气波前畸变试验,结果发现双线再泵浦是同等功率的单D2a线泵浦钠信标回光强度的1.93倍,在脉冲持续时间内钠信标回光光子流超过了 56800 ph/s/cm2,并估算出调制纵模钠信标激光器的饱和阈值～1400W/m2,是单频圆偏振光饱和阈值的约22倍,表明调制纵模钠信标激光器对饱和效应的抑制是十分有效的,这对于未来更高功率钠信标激光器的应用具有重要的参考意义。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.2 钠信标产生原理

1.3 国内外研究进展

1.3.1 染料钠信标激光器

1.3.2 块状固体钠信标激光器

1.3.3 光纤钠信标激光器

1.3.4 其它钠信标激光器

1.3.5 小结

1.4 论文选题与结构安排

第二章三高和频理论模型及模拟计算

2.1 非线性光学波动方程

2.2 平面波和频理论模型

2.2.1 平面波和频耦合波方程

2.2.2 曼利-罗关系

2.2.3 小信号近似理论处理

2.2.4 大信号理论处理

2.2.5 和频允许参量

2.3 三高和频理论模型

2.3.1 高斯光束基本特性

2.3.2 高斯光束和频耦合波方程

2.3.3 三高和频理论模型

2.4 数值模拟计算

2.5 小结

第三章实验装置设计

3.1 1064nm激光器设计

3.1.1 1064nm种子源

3.1.2 非稳态放大理论模型

3.1.3 1064nm放大器

3.2 1319nm激光器设计

3.2.1 1319nm种子源

3.2.2 1319nm放大器

3.3 线宽控制设计

3.3.1 单纵模激光调制展宽技术

3.3.2 多纵模激光线宽控制技术

3.4 589nm和频器设计

3.5 小结

第四章实验结果与分析

4.1 1064nm激光器实验结果及分析

4.2 1319nm激光器实验结果及分析

4.3 线宽控制实验结果及分析

4.4 589nm和频器实验结果及分析

4.5 双频钠信标激光器及应用

4.6 小结

第五章总结与展望

参考文献

附录1: 攻读博士学位期间取得的学术成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 鲁燕华

导师: 范国滨,万敏,王建军

关键词: 全固态激光器,钠信标,和频,高平均功率,高斯光束,调制纵模

来源: 中国工程物理研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国工程物理研究院

分类号: TN248

DOI: 10.27498/d.cnki.gzgwy.2019.000010

总页数: 143

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