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Investigation of the thermal lens effect of the TGG crystal in high-power frequency-doubled laser with single frequency operation
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资源说明：### 研究论文：高功率倍频单频激光器中TGG晶体热透镜效应的研究
#### 摘要与研究背景
本研究聚焦于高功率倍频单频激光器中TGG（铽镓石榴石）晶体热透镜效应的理论及实验研究。热透镜效应是由于激光材料内部因非均匀加热而产生的折射率变化，从而在材料内形成一个等效于透镜的光学元件。这种现象对于激光系统的稳定性和输出质量有着重要的影响。研究工作由山西大学光电研究所量子光学与量子光学器件国家重点实验室的尹启伟、卢华东及彭坤池共同完成。
#### 研究目的
主要目的是通过对TGG晶体热透镜效应的研究，优化激光器的设计参数，提高激光器的输出功率、稳定性以及光束质量。具体目标包括：
- 理论上分析TGG晶体热透镜效应；
- 实验验证理论分析结果；
- 通过调整腔镜距离优化输出功率；
- 测试激光器的功率稳定性和光束质量；
- 探讨泵浦功率变化时激光器的双稳态现象。
#### 研究方法
- **理论建模**：建立TGG晶体热透镜效应的数学模型，考虑晶体内部温度分布及其对折射率的影响。
- **实验设置**：采用自制的频率倍增Nd:YVO4激光器进行实验，该激光器具有单频操作能力。
- **参数优化**：通过调节位于二倍频发生器两侧的平面凹面镜M3和M4之间的距离来优化激光器性能。
- **性能测试**：测量激光器的输出功率、功率稳定性以及光束质量等关键指标。
- **双稳态现象观察**：在不同泵浦功率下观察并分析激光器的行为变化。
#### 主要发现
- 在考虑到TGG晶体热透镜效应的情况下，通过缩短M3和M4腔镜之间的距离，成功获得了最大输出功率为18.7瓦特的单频激光器，波长为532纳米。
- 激光器的功率稳定性在5小时内优于±0.4%，光束质量因子M^2为1.08。
- 观察到了类似双稳态的现象，在泵浦功率增加或减少的过程中，激光器表现出不同的行为特征。
#### 技术细节
- **实验平台**：使用自制的Nd:YVO4激光器作为实验平台，该激光器支持单频操作。
- **光学组件**：激光器中包含两块平面凹面镜M3和M4，位于二倍频发生器两侧。
- **热透镜效应**：TGG晶体在高功率激光作用下会产生热透镜效应，这会影响激光束的质量和激光器的整体性能。
- **参数调整**：通过精细调整M3和M4之间的距离，可以有效地管理热透镜效应，从而改善激光器的输出特性。
#### 结论与展望
本文详细介绍了在高功率倍频单频激光器中TGG晶体热透镜效应的研究。通过理论分析和实验验证，不仅优化了激光器的输出功率和光束质量，还揭示了激光器在不同泵浦功率下的双稳态现象。这些研究成果为设计更高效、更高功率的激光系统提供了重要的参考依据，并为进一步提升激光技术的应用范围奠定了基础。未来的工作将集中在进一步改进激光器的设计和技术，以实现更高的性能和更广泛的应用场景。
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