雷射晶體的熱透鏡效應以及對於共振腔穩定性之研究

簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表

研究生：	陳倫鴻 Lun-Hong,Chen
論文名稱：	雷射晶體的熱透鏡效應以及對於共振腔穩定性之研究 A research of the thermal-lensing effect of the laser crystal and the stability of resonant cavity
指導教授：	楊士禮 Sidney S. Yang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 光電工程研究所 Institute of Photonics Technologies
論文出版年：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	114
中文關鍵詞：	熱透鏡效應
外文關鍵詞：	thermal lensing
相關次數：	點閱：2 下載：0
分享至:	分享至facebook 分享至twitter

查詢本校圖書館目錄查詢臺灣博碩士論文知識加值系統勘誤回報

高功率固態雷射因為熱透鏡效應的影響，使得我們不容易去維持光束發散角、光束直徑的穩定性，而隨著激勵功率越強，熱透鏡效應越大，熱透鏡焦距也越短，甚至可能使共振腔由穩態變成非穩態。傳統上對於避免熱透鏡效應的方法，通常使用在共振腔中加入一些元件，藉著調整各元件之間的距離來消除其熱透鏡效應，使其光束品質更趨近於穩定性
本論文針對Nd:YAG和Nd:YVO4晶體在共振腔中的穩定性來做討論。我們將介紹如何使用高斯光束傳遞原則以及ABCD矩陣法去求出晶體被激勵之後的熱源公式，再進一步將其導入有限元素法的程式中去求出晶體中的溫度分布，如此一來，則我們可以利用晶體的溫度梯度分布去算出晶體在不同時間下的熱透鏡焦距，最後再將晶體的熱透鏡效應導入共振腔的穩定性條件中，去判斷晶體因熱透鏡效應對於共振腔的穩定性所造成的影響。當激勵功率為0.5W的狀況下，Nd:YAG晶體和Nd:YVO4晶體的熱透鏡焦距分別為431 m和164 m，我們可以發現Nd:YVO4晶體受到熱透鏡效應的影響較大。
另一方面，對於晶體因熱所造成的效率問題，我們也將在晶體上加裝各種不同的散熱結構，去模擬出在散熱的架構下，晶體的溫度和沒有加散熱架構的晶體其溫度的比較，並討論當晶體加了散架架構之後，其熱透鏡效應和沒有加散熱架構的晶體何者較為嚴重。

Because of the thermal-lensing effect, it is very difficult to keep the stability of the laser beam’s divergence angle in a high power solid state laser. With the increase in the input pump power, the thermal-lensing effect becomes severe.
This thesis discusses the stability of Nd:YAG and Nd:YVO4 in the resonance cavity. A stimulation program was built to predict the heat source formula in the crystal with the methods of Fresel’s propagation and Gaussian beam ABCD matrix method. We can, therefore, find the temperature profile in the crystal and calculate the focal length of the crystal after different time durations. Finally we discuss the stable condition of resonance cavity with the presence of the induced thermal-lensing effect. Under the input pump power of 0.5W, the induced focal length of Nd:YAG and Nd:YVO4 are estimated to be 431 m and 164 m, respectively. Therefore, we conclude that thermal-lensing effect has a greater impact on the laser systems based on Nd:YVO4 than on Nd:YAG.
On the other hand, to improve the lasing efficiency and stability, the heat dissipation structures are often required on the crystal. The comparison of the thermal-lensing effect with and without the heat dissipation structure is also presented.

致謝.....................................................Ⅰ
中文摘要.................................................Ⅱ
英文摘要.................................................Ⅲ
目錄.....................................................Ⅸ
圖目.....................................................Ⅶ
表目.....................................................XI
1  前言...................................................1
2  熱透鏡效應.............................................5
     2.1    熱傳遞........................................5
　　　　　　2.1.1   傳導..................................6
            2.1.2   對流..................................8
            2.1.3   輻射..................................9
     2.2    熱透鏡效應的理論與數學模型...................11
            2.2.1 溫度梯度 ..............................11
            2.2.2 熱致雙折射效應.........................12
            2.2.3 折射率梯度 ............................14
            2.2.4 端面形變 ..............................16
            2.2.5 熱透鏡效應 ............................17
     2.3    利用程式去求出晶體的熱透鏡焦距...............20
            2.3.1   晶體的熱傳分析.......................20
            2.3.2   有限元素法...........................21
            2.3.3   求出晶體的熱透鏡焦距長...............23
     2.4    熱透鏡之量測...............................24
     2.5    熱透鏡效應的補償 ............................26
            2.5.1   補償方法（一）---加入quartz rotator..26
            2.5.2   補償方法（二）---加入relay-imaging
                                           telescope.....27
            2.5.3   補償方法（三）---加入variable radius
                                            mirror.......28
            2.5.4   熱透鏡效應補償的效果分析.............30
3  熱源公式..............................................37
     3.1    利用fresnel推導雷射光的高斯分佈..............37
            3.1.1   傳播距離d後的高斯分佈................38
            3.1.2   經過透鏡之後的高斯分佈...............41
     3.2    利用ABCD矩陣法求雷射光的高斯分佈.............46
            3.2.1   驗證ABCD矩陣法之正確性...............46
            3.2.2   激勵晶體時所用雷射光的高斯分佈.......51
     3.3    熱源公式.....................................57
4  模擬分析..............................................58
     4.1    熱透鏡焦距公式的驗證.........................58
     4.2    Nd:YAG晶體的模擬分析.........................64
            4.2.1   Nd:YAG晶體的熱源公式.................64
            4.2.2   Nd:YAG晶體的模擬分析.................65
            4.2.3   Nd:YAG晶體的熱透鏡焦距...............69
     4.3    Nd:YVO4晶體的模擬分析........................71
            4.3.1   Nd:YVO4晶體的熱源公式................71
            4.3.2   Nd:YVO4晶體的模擬....................72
            4.3.3   Nd:YVO4晶體的熱透鏡焦距..............75
            4.3.4   Nd:YAG和Nd:YVO4晶體的比較............77
     4.4    散熱方式.....................................79
            4.4.1   單一銅片.............................79
            4.4.2   散熱片...............................83
            4.4.3   散熱片體積對溫度的關係...............85
     4.5    熱透鏡在共振腔中的模型.......................90
            4.5.1   共振腔內部沒有光學系統...............90
            4.5.2   共振腔中放置了一個透鏡...............91
            4.5.3   共振腔中放置了一個光學系統...........93
            4.5.4   模擬的共振腔穩定性...................94
5 結論...................................................98
參考資料................................................100

                                

[1] J.E.Geusic, H.M.Marcos, L.G.Van Uitert, Appl.Phys.Lett.
4,182 (1964).
[2] W.Koechner, Appl.Opt. 9,2548 (1970).
[3] W.Koechner: Solid-State Laser Engineering (1999) 5th
ed., Chap 6, p393.
[4] K.Yasui, Appl.Opt. 35,2566 (1996).
[5] C.M.Stickley, IEEE J.Quantum Electron.2,511 (1966).
[6] Q.Lu, N.Kugler, H.Weber, S.Dong, N.Muller,
U.Wittrock, Opt.Quantum Electr. 28,57 (1996).
[7] D.C.Hanna, C.G.Sawyers, M.A.Yuratich: Opt.Quan.Elect.
13,493 (1981).
[8] H.S.Carslaw, J.C.Jaeger: Conduction of heat in solids,
2th ed.
[9] 蘇金佳：熱與質量傳遞, 1998
[10] F.P.Incropera, D.P.DeWitt： Introduction to heat
transfer, 3rd ed, 1996
[11] J.P.Holman： Heat transfer, 8th ed, 1997.
[12] F.P.Incropera, D.P.Dewitt: Introduction to Heat
Transfer(John Wiley &Sons, Inc.) 2nd ed., Chap 3.
[13] W.Koechner, D.K.Rice, IEEE J.Quantum Electron. 6,557
(1970).
[14] Q.Lu, U.Wittrock, S.Dong, Opt.Laser Technol. 27,95
(1995).
[15] J.D.Foster, L.M.Osterink, J.Appl.Phys. 41,3656 (1970).
[16] W.Koechner: Solid-State Laser Engineering (1999) 5th
ed., Chap 7,p414.
[17] H.Kogelnik, J.Bell Syst.Tech. 44,455 (1965).
[18] W.Koechner: Solid-State Laser Engineering (1999) 5th
ed., Chap 7,p416.
[19] Incropera, DeWitt: Fundamentals of heat and mass
transfer,
[20] 錢偉長：變分法與有限元素法, 1991
[21] S.Moaveni: Finite element analysis :/theory and
application with ANSYS, 1999.
[22] 呂百達：激光光學（四川大學出版社，1992）第二版，第十
章。
[23] L.M.Osterink, J.D.Foster, Appl.Phy.Lett. 12,128 (1968).
[24] W.Koechner: Solid-State Laser Engineering (1999) 5th
ed., Chap 5, p221.
[25] N.Kugler, S.Dong, Q.Lu, H.Weber, Appl.Opt. 36,9359
(1997).
[26] I.Moshe, S.Jackel, Appl.Opt. 39,4313 (2000).
[27] G.Giuliani, P.Ristori, Opt.commun. 35,109 (1980).
[28] I.Moshe, S.Jackel, Opt.commun. 214,315 (2002).
[29] Bahaa E.A.Saleh, M.C.Teich: Fundamentals of Photonics
(John Wiley & Sons,Inc.,1991), Chap 4.
[30] Bahaa E.A.Saleh, M.C.Teich: Fundamentals of Photonics
(John Wiley & Sons,Inc.,1991), Chap 1.
[31] Bahaa E.A.Saleh, M.C.Teich: Fundamentals of Photonics
(John Wiley & Sons,Inc.,1991), Chap 3.
[32] Bahaa E.A.Saleh, M.C.Teich: Fundamentals of Photonics
(John Wiley & Sons,Inc.,1991), Chap 9.
[33] V.Magni, Appl.Opt. 25,107 (1986).

全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

簡易檢索 / 詳目顯示

相關論文