题目：高功率全固态Tm:YAG激光器技术理论与实验研究

高功率全固态Tm:YAG激光器在国防、科研、工业加工、医疗等领域有重要的应用价值。目前，利用LD泵浦Tm:YAG晶体获得百瓦级2.02μm波段激光已经实现，然而这些波长在大气中具有很多吸收线，其透过率较低，不利于激光雷达、激光传感和光电对抗等方面的推广应用，因而实现高功率全固态Tm:YAG激光器2.07μm激光输出成为目前研究的热点之一。本文针对实现高功率全固态2.07 μm Tm:YAG激光器激光输出的技术难点进行研究，取得的创新性的成果，主要包括以下几方面内容：

（一）侧面泵浦激光模块关键技术研究。Tm:YAG激光器为准三能级激光系统，存在交叉弛豫及重吸收等复杂的跃迁过程，存在交叉弛豫及重吸收等复杂的跃迁过程，且受激发射截面较小，激光输出阈值高，不利于形成激光振荡。针对这些技术难点，重点解决了Tm:YAG晶体掺杂浓度优化及实现对Tm:YAG激光晶体的高强度LD泵浦等问题。从Tm:YAG激光晶体棒设计、五向对称高强度泵浦结构设计及高效热管理结构三个方面入手，结合理论计算分析，实现了高功率的Tm:YAG激光模块，其短腔输出功率达到95.5W，斜效率为28.6%，最大功率时光-光转换效率为16.1%。

（二）发现了一种利用输出耦合率实现激光输出波长跳变的新方法。实验发现激光器的输出耦合率可改变激光输出波长。基于准三能级系统的速率方程，建立了侧面泵浦激光器泵浦阈值的理论模型，并对不同谱线的泵浦阈值进行数值模拟，理论分析通过调控输出耦合率可实现Tm:YAG激光器的输出波长从2.02μmd到2.07μm的跳变。理论分析和实验结果相一致。当输出耦合率Toc =5%时，Tm:YAG激光器的输出中心波长为2.07μm，并且最高输出功率达到了115W，该指标在当时国际同类型全固态2.07μm Tm:YAG激光器中属领先水平；当输出耦合率Toc =10%时，Tm:YAG激光器的输出中心波长为2.02μm。

（三）提出了一种增加激光介质长度使激光器输出波长发生红移的新方法。基于侧面泵浦激光器泵浦阈值的理论模型，对比分析激光介质长度对不同谱线泵浦阈值的影响，通过增加激光介质长度可实现激光输出波长的红移。建立了激光介质长度与泵浦阈值关系的数学模型，并进行数值模拟，首次定量计算出侧面泵浦Tm:YAG激光器输出波长发生红移所对应的激光介质长度；实验方面，改变激光介质长度实现Tm:YAG激光器激光中心波长在2.0µm~2.1µm的光谱区内发生红移。当激光介质长度为69mm时，Tm:YAG激光器的输出中心波长为2.02μm。当激光介质长度为138mm时，Tm:YAG激光器的输出中心波长为2.07μm，实验结果和理论分析一致。

（四）激光部件的的优化设计研究。为实现晶体棒内均匀的增益分布，采用光线追迹法对激光介质的增益分布进行数值模拟，分析了泵浦耦合结构参数对增益分布的影响，对侧泵激光模块结构优化以改善增益分布；通过有限元方法分析优化了激光晶体棒的结构参数，将套管喷射冷却与激光晶体侧表面螺纹结构方法相结合来改善激光晶体的热效应。建立了包含热透镜的矩阵传输理论模型，分析了谐振腔的腔型对激光系统动态稳定特性的影响。提出了一种激光谐振腔的腔型结构优化方法，使得在光束质量保持不变的情况下，输出功率成倍提高。采用多个高强度泵浦高效冷却侧泵Tm:YAG激光模块串接的方式实现了全固态2.07μm Tm:YAG激光器的高功率输出，其输出功率达到了267W，该指标达到国际领先水平。