【摘 要】
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自激光问世以来,高功率激光器在工业、医疗、国防和科研等领域的应用越来越广泛,但其面临的光学元件损伤问题成为限制高功率激光器发展的瓶颈之一。磷酸钛氧钾(KTi OPO4,KTP)晶体是激光频率转换等领域最常用的非线性晶体之一,研究其在激光辐照下的损伤规律对于高功率激光器的发展尤为重要。本文从理论上分析了KTP晶体激光损伤模型,搭建了纳秒脉宽激光诱导KTP晶体损伤测试平台,对KTP晶体的初始损伤、损伤
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自激光问世以来,高功率激光器在工业、医疗、国防和科研等领域的应用越来越广泛,但其面临的光学元件损伤问题成为限制高功率激光器发展的瓶颈之一。磷酸钛氧钾(KTi OPO4,KTP)晶体是激光频率转换等领域最常用的非线性晶体之一,研究其在激光辐照下的损伤规律对于高功率激光器的发展尤为重要。本文从理论上分析了KTP晶体激光损伤模型,搭建了纳秒脉宽激光诱导KTP晶体损伤测试平台,对KTP晶体的初始损伤、损伤增长进行了实验研究,并重点分析讨论了KTP晶体在频率转换过程中的多波长共同损伤规律,为优化KTP晶体生产加工工艺、提高抗激光损伤能力提供关键的基础数据。具体创新点和内容如下:(1)总结高功率激光损伤的三类模型(雪崩电离模型、热吸收爆炸模型、杂质诱导损伤模型)并分析了“纳秒脉宽激光诱导KTP晶体损伤模型”的两个步骤:第一步是激光诱导产生损伤前驱体,第二步是损伤前驱体的激活导致损伤。在不同光源条件(能量密度、脉冲宽度、光斑尺寸)下,对材料表面以及内部的温度场进行了仿真模拟,分析不同激光参数对材料温度场影响程度的相关规律。(2)搭建了纳秒脉宽激光诱导KTP晶体损伤测试平台,能够进行实时原位损伤探测,并且能较好地呈现损伤形貌和位置。利用该平台研究了1064nm和532nm光辐照下晶体的初始损伤及损伤增长的损伤形貌以及损伤规律,结果表明:相同实验条件下,532nm光辐照时晶体的损伤阈值低于1064nm,KTP晶体在1064nm处有疲劳效应,但532nm处并未观察到疲劳效应。KTP晶体的损伤各向异性比较明显,辐照激光的传播方向对晶体的损伤阈值影响较弱,但辐照激光的偏振方向会强烈影响晶体的损伤阈值,光线偏振方向平行于晶体z轴时,KTP晶体的损伤阈值远远高于偏振方向平行于晶体x轴和y轴的光束。(3)KTP晶体最主要的用途之一是激光倍频,因此本文重点对两种波长同时辐照下KTP晶体的损伤规律进行了研究和分析。结果表明1064nm和532nm两种波长激光同时辐照KTP晶体时,其损伤阈值明显低于纯1064nm和纯532nm辐照时的损伤阈值,即两波长同时作用时存在一定相关性。定义了参数γ(γ表示532nm相对于1064nm的损伤性,当γ>1时,1064nm比532nm损伤性更强)对频率转换过程中的损伤规律进行定量分析。实验观测到当1064nm激光的能量密度大于6.3J/cm~2时,532nm光比1064nm光破坏性更强。最后用文中提出的KTP晶体损伤模型解释了这种相关性。
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