基于掺钕纳米颗粒流体激光器的理论分析及性能研究

近年来,热管理问题一直是制约高能固体激光器进一步发展的重要因素,而液体激光器虽具有可流动性,容易实现热管理,但由于很多因素的限制,其在高功率高能量领域仍未达到实用阶段。为了有效改善热管理,综合固体介质的高增益特性和液体介质的可流动性,研究人员提出了一种新的激光器概念——流体激光器,将固体介质制成微颗粒分散到合适的液体中,形成流体激光材料。本文首先介绍了高能激光系统在国内外的应用以及发展历程,并基于四能级激光系统速率方程推导了输运方程,系统模拟了激光系统的瞬时特性和输出特性;同时,推导出光放大器的输运方程,并以此获得了激光工作介质增益特性,为下一步实验提供理论基础。利用水热法制备了LaF3:Nd纳米颗粒,将其分散在四溴乙烷和DMSO的混合溶剂中形成透明分散液;利用相关仪器对该流体激光介质的吸收光谱、荧光光谱以及荧光寿命进行了分析测试;根据Mie散射模型对该材料的散射进行了计算和模拟,同时对激光工作介质进行了简单的热分析;最后利用ZEMAX软件对泵浦耦合系统进行了模拟仿真,选取合适的泵浦结构,同时就谐振腔结构进行了设计,最终设计出合适的激光实验系统。首先为了验证激光光路的可行性,以钕玻璃作为激光工作物质,对其进行泵浦实验,获得39.6mJ的激光脉冲输出,有较高的斜效率。然后利用所制备的流体激光工作介质进行出光实验,但未能实现激光输出。最后,通过对以色列的实验进行理论分析,并将相关参数与本论文的出光实验参数进行对比,指出这份流体材料主要存在吸收弱,在以后的实验研究中可以着重从这方面入手,为以后进一步的进展提供更有效的支持。