大芯层尺寸单模晶体波导的设计及实验验证

论文摘要

无胶键合技术制备的晶体波导具有低损耗,高热导率和高非线性效应阈值等优点,有实现高功率,低阈值和高光束质量的潜力,可应用在医疗、激光雷达、科学研究、工业加工等领域,是未来高功率全固态激光器的主要发展方向之一。高功率晶体波导激光系统的研制在未来具有巨大的市场应用和国防战略价值。通过调研近几年晶体波导激光器的发展现状,发现增大芯层厚度的同时会导致多模输出,造成光束质量的下降。因此需要探究一种方法使晶体波导在增大芯层厚度的同时保持单模输出,从而使该晶体波导激光系统具有同时实现高功率和高光束质量的潜力。论文分析了晶体波导的单模条件。对晶体波导中的信号光传输模式进行研究,得到每个模式的特征方程和晶体波导的色散曲线图,从而获得晶体波导的单模截止条件。然后引入模式竞争的概念以进一步增大晶体波导的单模厚度。通过分析不同模式的相对增益,得出模式竞争下的单模条件。此时能够确定芯层的单模厚度上限。对于晶体波导的内包层厚度的相关影响进行分析,包括其与波导内的模式数量和泵浦吸收效率之间的关系,由此确定内包层厚度的范围。另外通过分析晶体波导存在的热效应,分别计算出热应力和热透镜效应对泵浦功率的限制,通过模拟得出外包层厚度与热应力之间的关系。制备了大芯层尺寸的晶体波导,其芯层材料为1at.%Yb:YAG,芯层尺寸为320μm×400μm,并由此搭建晶体波导激光器进行实验。在该实验中得到了近衍射极限输出,光束质量M~2=1.22×1.05,最高输出功率为26W,光光转换效率达到了48.5%。实验结果表明,模式竞争所决定的单模条件可靠,该设计具有可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 晶体波导的发展现状及分析
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 晶体波导内的信号光传播特性分析
•   2.1 晶体波导内信号光（?）和（?）模
•   2.2 晶体波导的单模截止条件
•   2.3 晶体波导的功率约束因子
•   2.4 本章小结
• 第3章 晶体波导结构设计
•   3.1 晶体波导材料
•     3.1.1 芯层材料的确定
•     3.1.2 内包层材料的确定
•     3.1.3 外包层材料的确定
•   3.2 晶体波导尺寸
•     3.2.1 芯层尺寸上限的确定
•     3.2.2 内包层尺寸下限的确定
•     3.2.3 内包层尺寸上限的确定
•     3.2.4 单包层晶体波导的泵浦吸收效率
•   3.3 本章小结
• 第4章 晶体波导的热效应分析
•   4.1 热源函数
•   4.2 晶体波导温度分布场理论分析
•   4.3 晶体波导热致应力理论分析
•     4.3.1 晶体波导断裂极限应力
•     4.3.2 晶体波导热致应力解析表达式
•     4.3.3 晶体波导热致应力模拟分析
•   4.4 晶体波导热透镜效应理论分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 晶体波导激光振荡器实验
•   5.1 实验目的及设计
•   5.2 实验步骤
•   5.3 实验结果及讨论
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 程德江

导师: 李强

关键词: 全固态激光器,晶体波导,大芯层尺寸,单模

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 北京工业大学

分类号: TN814;TN24

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000733

总页数: 65

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