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二极管泵浦碱金属蒸气激光及其放大器的理论研究

2020-12-02阅读(849)

二极管泵浦碱金属蒸气激光及其放大器的理论研究

论文摘要

二极管泵浦碱金属蒸气激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Lasers,DPALs)具有量子效率高、散热好、光束质量好、工作物质无毒和线宽窄等优点,在激光加工和材料处理、定向能量传输、医疗等领域有着广泛的应用前景。21世纪以来,随着半导体泵浦源技术的发展,DPALs也进入了快速发展的时期。近十多年来,世界各国研究小组采用不同的实验方案和技术,实现了多种泵浦方式的DPALs高效稳定的运转。为了进一步提高激光输出功率,研究人员进行各种实验和理论研究,例如:加大泵浦源的功率、采用横向泵浦方式、采用液体流动冷却法或增益介质流动法、对DPAAs(Diode Pumped Alkali Vapor Laser Amplifiers:二极管泵浦碱金属蒸气激光放大器)进行研究等,实现了千瓦级以上的激光输出。本文第1章介绍了 DPALs和DPAAs的背景、发展历程以及国内外的研究现状。第2章从碱金属原子的性质及能级方面阐释DPALs的工作原理,分析讨论了要实现DPALs高效稳定运转的条件;此外,还介绍分析了 DPALs和DPAAs在近十多年里的相关实验及经典动力学模型。第3章在考虑饱和放大效应、放大自发辐射(ASE)和增益介质流动的基础上,建立一个四端侧面泵浦流动气体的DPAA模型。先通过与相关实验的比较,证实了本模型的正确性;再结合相关实验参数,模拟计算了温度、流速以及放大池长度等工作参量对激光输出性能的影响,获得了一组优化的工作参量组合,为此类激光放大器在实验上的优化设计提供指导和借鉴。鉴于不利过程(猝灭、能量碰撞转移、光激发、彭宁电离和光电离)对激光输出性能有着负面的影响,且目前没有关于怎样降低DPAAs中这些负面影响的研究报道。因此,第4章我们建立了一个准五能级的流动气体DPAA模型,模拟分析了一些重要的工作参数(泵浦光功率、种子光功率、流速、放大池长)对这些不利过程的影响。结果表明强的泵浦光能加重这些不利过程的负面影响,但是适当大的种子光功率以及优化的工作参数(流速和放大池长)则有利于降低这些不利过程的负面影响。第5章我们建立了一个柱坐标下的四维脉冲泵浦DPAL模型。结合环形切割法、交替方向隐式差分法(ADI)、洛必达法则、牛顿法以及追赶法,运用MATLAB求解速率方程和热传导方程。在单脉冲泵浦条件下,计算分析了泵浦光光强、激光光强以及粒子数密度的时空分布;之后又模拟讨论了多脉冲泵浦条件下的激光输出能量以及激光峰值随脉宽和脉冲间隔的变化情况,得到了实现更高的激光输出能量和激光峰值功率的方法。在考虑猝灭、饱和放大效应和放大自发辐射的基础上,第6章我们首次建立了一个脉冲泵浦DPAA模型,模拟分析了温度、放大激光强度的时空分布以及不同泵浦时刻种子光功率对输出的放大激光功率的影响。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 前言
  •   1.2 DPALs的发展进程以及国内外研究现状
  •   参考文献
  • 2 DPALs（DPAAs）的工作原理、有效运行条件、实验及模型
  •   2.1 DPALs的工作原理
  •     2.1.1 碱金属
  •     2.1.2 碱金属原子的能级
  •   2.2 DPALs有效运行的条件
  •     2.2.1 DPALs的热管理
  •     2.2.2 线型匹配
  •     2.2.3 稳频
  •   2.3 DPALs和DPAAs实验及模型
  •     2.3.1 纵向泵浦结构的DPALs
  •       2.3.1.1 实验研究
  •       2.3.1.2 动力学模型
  •     2.3.2 纵向泵浦结构的DPAAs
  •       2.3.2.1 实验研究
  •       2.3.2.2 动力学模型
  •     2.3.3 横向泵浦结构的DPALs
  •       2.3.3.1 实验研究
  •       2.3.3.2 动力学模型
  •     2.3.4 横向泵浦结构的DPAAs
  •       2.3.4.1 实验研究
  •   2.4 本章小结
  •   参考文献
  • 3 四端侧面泵浦流动式铯蒸气DPAA动力学模型
  •   3.1 模型介绍
  •   3.2 速率方程和热平衡方程
  •   3.3 数值方法
  •   3.4 结果与分析
  •     3.4.1 模拟与实验的比较
  •     3.4.2 种子光功率的影响
  •     3.4.3 流速的影响
  •     3.4.4 蒸气池长度的影响
  •   3.5 本章小结
  •   参考文献
  • 4 DPAA的不利过程研究
  •   4.1 模型介绍
  •   4.2 速率方程和热平衡方程
  •   4.3 数值方法
  •   4.4 结果与分析
  •     4.4.1 泵浦光功率的影响
  •     4.4.2 种子光功率的影响
  •     4.4.3 流速的影响
  •     4.4.4 放大池长度的影响
  •   4.5 本章小结
  •   参考文献
  • 5 脉冲泵浦DPAL的研究
  •   5.1 模型介绍
  •   5.2 速率方程
  •   5.3 热传导方程
  •   5.4 数值方法
  •   5.5 结果与分析
  •     5.5.1 模拟与实验的比较
  •     5.5.2 泵浦光和激光光强分布
  •     5.5.3 粒子数密度分布
  •     5.5.4 多脉冲泵浦
  •   5.6 本章小结
  •   附录: 方程（5-18）和（5-19）的系数
  •   参考文献
  • 6 脉冲泵浦DPAA的研究
  •   6.1 模型介绍
  •   6.2 速率方程以及热传导方程
  •   6.3 数值方法
  •   6.4 结果与分析
  •     6.4.1 温度分布
  •     6.4.2 放大激光强度分布
  •     6.4.3 种子光的影响
  •   6.5 本章小结
  •   参考文献
  • 7 总结与展望
  •   7.1 本文小结
  •   7.2 本文创新点
  •   7.3 未来研究方向
  • 作者简介

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 夏春生

    导师: 潘佰良

    关键词: 动力学模型,放大自发辐射,饱和放大效应,不利过程,脉冲泵浦模型

    来源: 浙江大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

    单位: 浙江大学

    分类号: TN248;TN722

    总页数: 105

    文件大小: 6050K

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