工 学 硕 士 学 位 论 文LD 泵 浦 固 体 激 光 器 理 论 与 实 验 研 究马 兴 禄哈尔滨工业大学2008 年 6 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN242国 际 图 书 分 类 号 ： 53工 学 硕 士 学 位 论 文LD 泵 浦 固 体 激 光 器 理 论 与 实 验 研 究硕 士 研 究 生 ： 马 兴 禄导 师 ： 姚 勇 教 授副 导 师 ： 张 颖申 请 学 位 ： 工 学 硕 士学 科 、 专 业 ： 物 理 电 子 学所 在 单 位 ： 深 圳 研 究 生 院答 辩 日 期： 2008 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TN242U.D.C: 53Dissertation for the Master Degree of EngineeringTHEORETICAL AND EXPERIMENTALSTUDY ON LD PUMPED SOLID-STATELASERCandidate: Ma XingLuSupervisor: Prof. Yao YongAssociate Supervisor: Zhang YingAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpecialty: Physical ElectronicsAffiliation: Shenzhen Graduate SchoolDate of Defence: June, 2008Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要论 文 首 先 介 绍 当 前 LD 泵 浦 固 体 激 光 器 系 统 的 特 点 和 存 在 的 主 要 问 题 ，总 结 其 国 内 外 的 发 展 现 状 。 其 次 ， 详 细 阐 述 改 善 热 效 应 的 方 法 ， 重 点 研 究 谐振 腔 参 数 与 泵 浦 光 空 间 分 布 对 激 光 器 振 荡 效 果 的 影 响 。通 过 MATLAB 软 件 数 值 模 拟 固 体 激 光 器 激 光 晶 体 热 效 应 、 光 学 谐 振 腔结 构 与 泵 浦 光 空 间 分 布 ， 模 型 中 包 括 LD 泵 浦 光 源 、 谐 振 腔 镜 、 Nd:YVO4、KTP。 以 矩 形 截 面 激 光 晶 体 热 模 型 为 基 础 ， 采 用 数 值 分 析 中 的 差 分 法 求 解 各向 异 性 激 光 介 质 热 传 导 方 程 ， 利 用 MATLAB 程 序 语 言 进 行 较 精 确 的 数 值 计算 ； 以 光 学 变 换 矩 阵 为 基 础 ， 采 用 G 参 数 等 价 腔 分 析 法 对 谐 振 腔 系 统 性 能进 行 分 析 ， 包 括 光 束 传 输 特 性 及 稳 定 性 条 件 ； 以 端 面 泵 浦 Nd:YVO4 激 光 器为 平 台 ， 建 立 泵 浦 光 与 振 荡 光 的 交 迭 积 分 模 型 ， 研 究 不 同 的 泵 浦 光 三 维 分 布对 振 荡 光 阈 值 、 输 出 功 率 和 斜 效 率 等 参 量 的 影 响 。 研 究 表 明 ： 晶 体 中 心 与 边界 处 的 温 度 有 很 大 的 差 别 ， 该 差 别 可 引 起 泵 浦 端 面 的 热 形 变 ， 泵 浦 光 功 率 、束 腰 半 径 对 热 透 镜 效 应 有 直 接 的 影 响 ； 激 光 晶 体 热 效 应 、 像 散 效 应 对 谐 振 腔稳 定 性 、 振 荡 光 束 腰 半 径 和 光 束 质 量 有 不 同 程 度 的 影 响 ， 从 模 拟 结 果 来 看 ，激 光 晶 体 热 效 应 导 致 谐 振 腔 稳 区 减 小 、 倍 频 效 率 下 降 ， 像 散 效 应 导 致 光 束 质量 下 降 ； 泵 浦 光 的 半 径 大 小 、 位 置 和 对 称 性 对 于 激 光 器 系 统 的 输 出 性 能 有 非常 显 著 的 影 响 ， 从 模 拟 结 果 看 ， 阈 值 泵 浦 功 率 随 着 泵 浦 光 束 腰 半 径 的 增 大 而增 大 ，斜 效 率 随 着 泵 浦 光 束 腰 半 径 的 增 大 而 减 小 ，泵 浦 光 束 形 状 越 接 近 圆 形 ，阈 值 越 低 ， 输 出 功 率 越 大 ， 斜 效 率 越 高 ， 并 存 在 最 佳 的 泵 浦 光 束 腰 位 置 。利用四能级激光系统的速率方程，建立了对系统的三个重要参数( Nd:YVO4 和 KTP 晶 体 长 度 、 输 出 镜 透 过 率 T )同 时 进 行 优 化 的 模 型 ， 运 用MATLAB 编 程 软 件 ， 得 出 了 优 化 结 果 。 连 续 工 作 方 式 下 ， 当 泵 浦 功 率 为0-0.5W 时 ，激 光 晶 体 的 最 佳 长 度 是 2-4mm，倍 频 晶 体 的 最 佳 长 度 是 8-10mm，最 佳 输 出 镜 透 过 率 为 2-3 。 将 数 值 模 拟 的 系 统 工 作 特 性 与 实 验 结 果 进 行 了对 比 ， 拟 合 较 好 。关 键 词 LD 泵 浦 ； 热 透 镜 效 应 ； 光 学 谐 振 腔 ； 泵 浦 光 空 间 分 布I哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractIn this thesis, firstly, the current characteristics and main problem of LDpumped solid-state laser systerm are introduced, and its domestic and foreigndevelopment is summarized; Secondly, detailed methods to improve thethermal effects are expatiated, especially, how resonator parameters andspatial distribution of the pump beam to affect oscillation is analysed.Thermal effect, optical resonator structure and spatial distribution ofpumping beam are numerical simulated through MATLAB software, and thepumping source of LD, resonator mirrors, Nd:YVO4 and KTP are included inthe simulation model. Based on rectangular cross-section laser crystal thermalmodel, we solve the anisotropic laser medium heat conduction equationaccording to the difference method in the numerical analysis, and achieve amore accurate numerical calculation using MATLAB programming language;based on optical matrix, performances of resonator system including beampropagation characteristics and stability conditions are analysed usingG-parameter-equivalent-cavity method; using end-pumped Nd:YVO4 laser asa platform, the overlap integral model of pumping and oscillating beam isestablished to analyse the effects of different three-dimensional distribution ofpumping beam on threshold power, output power and slope efficiency. It isindicated that the difference in temperature between crystal border and crystalcenter cause heat deformation of crystal end, in addition, pumping power andwaist radius have direct impact on thermal effects; it also show that thermaleffects and astigmatism of laser crystal had different degrees of influence toresonator stability and radius of oscillating beam waist. The simulation resultsare that thermal effects induce the reduction of resonator stability region anddecline of conversion efficiency. The radius, location and symmetry ofpumping beam have a obvious impact on the output properties of laser system,and the simulation results are that the threshold power increase and the slopeefficiency decrease as the radius of pumping beam waist increase, The more tocircular the shape of pumping beam are, the lower the threshold is; theII哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文stronger the output power is, the higher the slope efficiency is, and there is theoptimal location for pump waist.Through the four-level-rate-equation, the model that can simultaneousoptimize three important parameters (length of Nd:YVO4 and KTP crystal,transmittance T) is established, and the optimized results are got by usingMATLAB software. Under continuous working way, the best length ofN