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脉冲全固态激光器(DPL)在国防、科学研究、工业制造、医疗和娱乐等领域有着极为广阔的应用前景。同时获得高效率、高光束质量、高平均功率、大能量脉冲全固态激光输出是激光研究领域的热点和难点,其需要研究高效率大功率泵浦耦合技术、热管理与热效应补偿技术、光束质量控制技术、谐振腔优化设计技术、高提取效率放大技术等科学技术问题。本论文以高效率、高光束质量、高平均功率脉冲DPL技术研究为主要内容,进行了大量的理论和若干关键技术的实验研究工作,取得了重大进展。主要研究内容如下:
1、大功率半导体激光器列阵(LDA)侧面泵浦技术:采用光线追迹法,仿真模拟和实验研究了LDA侧面泵浦棒状激光介质内增益分布控制技术,研究了侧面泵浦棒状激光介质内热光效应及其补偿技术。理论和实验符合较好。侧面泵浦技术的仿真模拟为高效率大功率国产化侧面泵浦激光模块的设计提供了重要技术手段。
2、热稳态运转脉冲DPL技术与大能量脉冲DPL器件研制:研究了大基模谐振腔设计、光束质量控制、高提取效率放大等技术及其优化设计技术,研制成功单脉冲输出能量0.47J,重复频率100Hz,光束质量M2因子为4的高光束质量脉冲DPL;研制了单脉冲输出能量2.32J,重复频率100Hz,平均输出功率232W,光光转化效率达39.2%的大能量脉冲DPL。两系统的主要器件均实现国产化。
3、首次实验研究了脉冲DPL热容运转相比于热稳态运转的优点,与热稳态运转相比在相同条件下,热容运转输出的光束质量提高近3倍,热退偏损耗由20%降低为近零值;在国内首次实现热容运转全固态激光输出,平均输出功率41W,单脉冲输出能量0.82J,重复频率50Hz,光光转换效率27.6%,M2~11.5;研究热容运转光束质量控制技术,获得平均输出功率30w,单脉冲输出能量0.6J,重复频率50Hz,光光转换效率20%,M2~3的热容运转全固态激光输出。侧泵棒状晶体热容运转DPL技术研究尚未见报导。
4、利用直角棱镜耦合技术,首次采用共焦谐振腔法实现侧泵脉冲全固态激光锁相输出,获得输出功率3.6W(为文献报导最大输出功率的3倍)单脉冲能量0.18J,重复频率20Hz的脉冲全固态激光位相锁定输出;并提出了更高功率锁相输出方案。
5、研究泵浦模块、谐振腔和腔内倍频优化设计技术,成功研制输出功率11.5W660nm红光DPL,为国际最高输出,该优化结果引起了同行们的关注,已被引用,多次被求稿;首次研究腔内三倍频产生大功率蓝光技术,研制成功输出功率4.3W440nm蓝光DPL。