探测用激光光源中的若干关键技术研究

发布时间：2018-01-27 00:45

本文关键词： 激光探测单纵模激光器热效应自注入锁定相干发射　出处：《西安电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：光源是激光探测系统的核心器件,本文研究探测用单纵模二极管抽运固体激光器(DPL)中的相关问题,主要内容包括四个部分:分析振荡光场的频谱特性;研究粗糙面传导散热下激光器热效应对激光器性能的影响;系统研究声光调制自注入锁定单纵模激光方法并实验获得自注入锁定输出;提出用单纵模多子光束阵列相干发射方案提高激光探测性能。第一部分:基于多纵模振荡模型,讨论DPL中的纵模振荡。结果表明:驻波腔中,激光介质中空间烧孔分布形成于弛豫振荡过程中光子数第一次大规模增长的阶段;弛豫振荡稳定后,各纵模共存输出,各纵模共同产生的空间烧孔使上能级粒子数密度沿轴向呈现出幅度调制的高频起伏分布;行波腔中,只有发射截面最大的纵模能形成稳定的激光输出;腔长变化时,失谐损耗使振荡波长发生漂移,腔长变化较小时,振荡波长平滑转换;而腔长变化较大时,波长的转换伴随着弛豫振荡。第二部分:针对激光介质金属热沉散热的粗糙面接触传热问题,提出了一种计算温度场的面热源自适应调整算法,研究单纵模激光器中基横模光场的热效应。通过在研究对象的封闭边界上引入虚拟面热源,通过自适应调整算法,获得满足边界条件的面热源分布,然后用自由空间的格林函数快速计算对象内的温度场。建立了导热联结的两种介质的表面接触模型,在此基础上建立了随机分布的表面散热边界条件,并利用面热源自适应调整算法计算了介质内的温度分布。计算结果表明,由于介质散热表面不能完全紧密接触,其温度场呈现一定程度的随机起伏,越靠近边界,随机起伏越明显,介质中心区域随机起伏则不明显;有效热接触面积越小,这种随机起伏越强烈。由于该温度场的影响,激光介质表面附近的相位差存在起伏并深入一定深度。随抽运功率的增大,相位差的起伏增强;接触面积增大时,相位差起伏减小,起伏的深度也有所减小。热致衍射损耗随抽运功率近似线性增加,基模光半径越大,增加的斜率越大;当基模光半径较大时,接触面积越小热致衍射损耗越大。第三部分:理论研究环形腔声光调制自注入锁定过程。通过数值求解声光互作用耦合波方程研究声光调制器对环形腔中两个方向光波的衍射效率,结果表明:在入射角偏离布拉格角一定角度时,两光波有最大衍射效率差,该偏离角随超声波频率的升高而减小;最大衍射效率差随超声波功率的增加而增大,增大的斜率逐渐减小;超声波频率越高,能提供更大的衍射效率差。在此基础上,数值求解速率方程研究环形腔自注入锁定过程,结果表明:高损耗阶段末尾,两方向光子数密度之比随超声波功率增加迅速增加,当超声波功率大于一定值后,该比值趋于稳定;在超声波频率从1MHz增加到约10 MHz时,该比值迅速增大,当超声波频率高于10 MHz后,该比值趋于稳定;该比值随抽运功率的增加而增大,增大趋势逐渐变缓。在通常实验条件可得到的抽运功率、超声波频率和超声波功率下,光子数密度之比可达十几个数量级,能保证成功实现自注入锁定。自注入锁定脉冲的峰值功率随超声波功率的增加近似线性增大;能达到的最高重复频率随抽运功率的增大线性增大,在几十瓦的抽运功率水平下重复频率在千赫兹量级。用光纤耦合输出激光二极管对Nd:YAG进行端面抽运,采用四镜环形腔实现了声光调制自注入锁定激光器。实验中,在平均功率1 W时,获得了重复频率2 kHz,脉冲宽度475 ns的自注入锁定脉冲,对应的脉冲峰值功率为1.1 kW。光束接近高斯分布,光束质量因子M2为1.3。第四部分:提出一种多子光束相干发射方案提高激光对远距离小目标的探测能力。将光源发出的光束分为若干子光束平行发射,由于子光束来自同一单纵模激光源,具有很好的相干性,因此它们在目标面上产生干涉主峰,用此干涉主峰进行探测。目标越小,此方案相对于直接发射的优势越突出。计算结果表明:子光束在目标面上产生干涉主峰,理想情况下峰值光强为直接发射的subN(subN为子光束数目)倍。给出了系统设计中所允许的光束间距;设计中还应适当压缩发散角,增大目标上的总功率。发射镜位置和角度抖动使得光斑畸变、光强闪烁,为获得稳定的干涉主峰,发射镜的位移控制精度需达到0.1λ(光波长)、角度控制精度需达到0.2θdiv(发散角);目标面上干涉峰可以比直接发射小一个数量级,从而提高探测的空间分辨率。
[Abstract]:In this paper , the influence of laser thermal effect on laser performance is studied by means of self - adaptive adjustment algorithm . The results show that the ratio of photon number density increases with the increase of the ultrasonic power . In the ideal case , the peak light intensity is the subN which is directly emitted ( subN is the number of sub - beams ) . The beam spacing allowed in the design of the system is given . In the design , the divergence angle should be properly compressed and the total power on the target is increased . In order to obtain stable interference principal peak , the displacement control accuracy of the emission mirror is 0.1 位 ( light wavelength ) , and the angle control accuracy needs to reach 0.2 . theta div ( divergence angle ) ; the interference peak on the target surface can be smaller by order of magnitude than the direct emission , so that the spatial resolution of the detection can be improved .

【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN245

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