阳光泵浦crndyag陶瓷激光研究-study on solar pumped crndyag ceramic laser.docx

摘要太阳光泵浦固体激光器在空间电站、清洁能源、海洋和大气探测、深度空间通讯等领域有着潜在应用价值。目前，太阳光直接泵浦固体激光器普遍存在阈值泵浦功率偏高、体积庞大和难于维护等问题，本文以Cr/Nd:YAG陶瓷作为激光工作物质，针对太阳光泵浦固体激光器中的几个关键问题进行了研究，主要包括激光介质的基本特性，菲涅尔聚焦透镜的设计以及低阈值激光器的设计与实验。力求实现一种低阈值、小体积、便于操作的太阳光直接泵浦固体激光器。本论文首先研究了Cr/Nd:YAG陶瓷的光谱特性及Cr3+向Nd3+能量转移机制。将Nd3+掺杂浓度相同的Nd/Cr:YAG陶瓷与Nd:YAG晶体的吸收谱进行对比研究，发现在各自吸收峰值处Cr3+的吸收截面比Nd3+的吸收截面大。测算出利用808nm激光单独激励的Cr/Nd:YAG陶瓷在1064nm处的有效受激发射截面为3×10-19cm2。太阳光同时激励Cr3+与Nd3+时，计算得出Cr/Nd:YAG陶瓷的有效受激发射截面为单独激励Nd3+（或Nd:YAG晶体）的三倍。采用理论计算与实验两种方法，分析了Cr/Nd:YAG陶瓷在579nm到601nm的可调谐激光激励下的有效能级寿命，证明了不同泵浦源激励下激光上能级有效寿命随之变化，本论文中以菲涅尔透镜聚焦后光谱为基础，计算了此泵浦光谱下的激光上能级有效寿命为0.55ms。因此选择Cr/Nd:YAG陶瓷激光介质将大幅度地降低激光输出的阈值泵浦功率，有利于太阳光低辐射功率密度下获得激光输出。在菲涅尔透镜设计方面，本文提出了聚焦光谱与Cr/Nd:YAG陶瓷吸收谱相匹配的菲涅尔透镜设计方法。首先，根据几何光学原理及预估校正算法对直径600mm焦距为600mm的菲涅尔透镜参数进行求解；其次，基于蒙特卡洛算法，比较三种菲涅尔透镜设计方法对直径5mm厚度3mmCr/Nd:YAG陶瓷的聚焦平均功率密度与平均吸收功率密度的影响。采用菲涅尔透镜强聚焦设计方法计算出的聚焦平均功率密度比菲涅尔透镜成像设计方法提高了18.8%，同时Cr/Nd:YAG陶瓷吸收的平均功率密度被提高了16.3%。而强吸收设计方法获得的平均吸收功率密度比传统的成像设计方法提高~20%，有利于实现太阳光低辐射功率密度下的激光振荡输出。在理论方面，建立了菲涅尔透镜聚焦混合泵浦Cr/Nd:YAG陶瓷连续运转理论模型，解释了国外报道的激光输出特性现象，并提出了低泵浦阈值功率实验运转方案。首先，采用光迹追踪算法计算了泵浦效率，并提出泵浦阈值功率密度概念，建立了平均泵浦束腰随入射的太阳光功率变化的物理模型，数值计算了激光振荡过程的模式交叠积分与模式交叠效率；其次，此理论模型数值计算出的激光输出-I-特性与国外文献所给出的实验结果相吻合，并对实验结果给予定性分析。最后，理论分析得出1.3m2菲涅尔透镜的聚焦效果下，选择直径为5mm长为50-60mm棒状的激光介质可降低激光泵浦阈值功率，有利于低辐射密度太阳光下获得激光输出。在实验方面，使用1.3m2菲涅尔透镜以及入口直径为25mm、出口直径为9mm的锥型陶瓷腔聚焦泵浦直径5mm、长度60mm的Cr/Nd:YAG陶瓷，在太阳光辐射为760W/m2与800W/m2的天气条件下进行了太阳光泵浦固体激光器的研究工作。两种天气下，输出耦合反射率为99%激光输出功率分别为0.58W与0.94W，输出耦合反射率为97%时激光输出功率分别为0.62W与1.4W。在此设计方案下，通过跟踪偏差实验计算出的有效泵浦阈值功率约为190W明显低于国外采用尺寸为直径9mm、长度100mm的Cr/Nd:YAG陶瓷的有效泵浦阈值功率272W。最后通过能流密度模型给出了近似条件下泵浦光强分布函数，找到了由于实验条件限制导致实验结果低于预期的原因，并且理论计算了理想情况下的激光输出特性。关键词：太阳光泵浦激光器；Cr/Nd:YAG陶瓷；菲涅尔透镜聚光器；混合泵浦AbstractSolar-pumpedlasershavepotentialapplicationsinspacesolarpowersystem(SSPS),atmosphericandoceansensing,deepspacecommunicationsandotherfields.Currently,thekeyissuesofsolar-pumpedsolid-statelasersaregenerallyresearchedasfollowing:(a),thethresholdpumpedpowerishigher.(b),thevolumeislarge.(c),itishardertomaintain.Inthispaper,basedonCr/Nd:YAGceramiclasermedium,severalcrucialquestio