2微米Ho-LuVO4固體激光器特性研究.pdf

1、2μm波段不僅處于大氣窗口和人眼安全波段，此外還有眾多原子和分子（如H2O等）的吸收峰位于2μm波段，這使得該波段激光在激光醫(yī)療和激光雷達(dá)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。尤為重要的是，高峰值功率的2μm脈沖激光器可以作為光參量振蕩器和光參量放大器的高效泵浦源，用以實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外波段（3~12μm）激光輸出。近年來(lái)，隨著2μm波段激光器的發(fā)展，摻雜Tm3+/Ho3+的2μm固體激光器技術(shù)逐漸成熟。其中，能夠在常溫下穩(wěn)定運(yùn)行，且以氧化物和氟化物為基

2、質(zhì)的摻Ho3+固體激光器得到了科研工作者的廣泛研究。隨著不同領(lǐng)域?qū)?μm固體激光器應(yīng)用需求的發(fā)展，對(duì)新型摻Ho3+激光介質(zhì)的探索就具有了重要的科學(xué)研究及應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，本文對(duì)新型Ho:LuVO4激光介質(zhì)及其2μm固體激光器輸出特性開(kāi)展了研究，以期為相關(guān)領(lǐng)域的拓展做出一定貢獻(xiàn)。
　　首先，結(jié)合目前實(shí)現(xiàn)2μm激光輸出的技術(shù)方案，對(duì)近年來(lái)2μm激光器的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行闡述，并明確指出摻Ho3+固體激光器在2μm激光器發(fā)展中的重要性。通過(guò)對(duì)

3、釩酸鹽基質(zhì)同氧化物基質(zhì)、氟化物基質(zhì)的比較，指出以釩酸鹽為基質(zhì)的2μm固體激光器優(yōu)勢(shì)，并對(duì)近年來(lái)以釩酸鹽為基質(zhì)的2μm固體激光器的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述。
　　其次，準(zhǔn)確測(cè)量了Ho:LuVO4晶體的吸收光譜、熒光光譜以及熒光壽命，并根據(jù)Judd-Ofelt理論和Füchtbauer-Ladenberg方程計(jì)算了Ho:LuVO4晶體的各項(xiàng)光譜參數(shù)及其在2μm波段的光譜發(fā)射截面，并從理論上分析了不同粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比率下Ho:LuVO4晶體可能的

4、振蕩波長(zhǎng)及其偏振態(tài)。建立了單端泵浦Ho:LuVO4晶體的熱效應(yīng)模型，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，獲得了Ho:LuVO4晶體內(nèi)部的溫度場(chǎng)及熱焦距情況，為單端泵浦Ho:LuVO4激光器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
　　再次，理論上建立了描述摻Ho3+激光系統(tǒng)的準(zhǔn)四能級(jí)速率方程模型，并結(jié)合Ho:LuVO4晶體參數(shù)，對(duì)準(zhǔn)四能級(jí)速率方程進(jìn)行數(shù)值求解，討論了上轉(zhuǎn)換損耗和諧振腔往返損耗等參數(shù)對(duì)單端泵浦Ho:LuVO4激光器輸出性能的影響；結(jié)合Ho:LuVO4晶體的

5、熱焦距情況，對(duì)單端泵浦Ho:LuVO4激光器的諧振腔進(jìn)行設(shè)計(jì)，討論了諧振腔長(zhǎng)度和輸出鏡曲率對(duì)Ho:LuVO4晶體中心位置振蕩光斑分布及諧振腔穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)上采用1937.5nm輸出的Tm:YAP固體激光器作為泵浦源，比較分析了輸出鏡透過(guò)率、諧振腔長(zhǎng)度和晶體工作溫度對(duì)單端泵浦Ho:LuVO4激光器輸出性能的影響；在輸出鏡透過(guò)率T=20％，諧振腔長(zhǎng)度L=110mm，晶體工作溫度為290K，被吸收泵浦功率為12.3W時(shí)，實(shí)現(xiàn)最大輸出功率為

6、4.1W的2058.4nm連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光輸出，相應(yīng)的斜效率為43%。
　　再次，理論上建立了摻Ho3+調(diào)Q激光系統(tǒng)的速率方程，并結(jié)合Ho:LuVO4晶體參數(shù)對(duì)主/被動(dòng)調(diào)Q速率方程進(jìn)行數(shù)值求解，討論了脈沖寬度、脈沖能量和峰值功率的影響因素。實(shí)驗(yàn)上采用1937.5nm輸出的Tm:YAP固體激光器作為泵浦源，比較分析了輸出鏡透過(guò)率和重復(fù)頻率對(duì)基于聲光Q開(kāi)關(guān)的單端泵浦Ho:LuVO4主動(dòng)調(diào)Q激光器輸出性能的影響，在輸出鏡透過(guò)率T=20%，被

7、吸收泵浦功率為12.3W，重復(fù)頻率為20kHz時(shí)，實(shí)現(xiàn)了最大平均輸出功率為4.1W，斜效率為42.1%的穩(wěn)定調(diào)Q脈沖激光輸出，相應(yīng)的最小脈沖寬度為29.3ns；使用初始透過(guò)率T0=86.3%的Cr2+:ZnS晶體作為飽和吸收體，比較分析了輸出鏡透過(guò)率對(duì)單端泵浦Ho:LuVO4被動(dòng)調(diào)Q激光器輸出性能的影響，在輸出鏡透過(guò)率T=50%，被吸收泵浦功率為12.3W時(shí)，獲得最大平均輸出功率為2.3W，中心波長(zhǎng)為2057.5nm的穩(wěn)定調(diào)Q脈沖激光輸

8、出，斜效率為35.1%，相應(yīng)的最小脈沖寬度和最大重復(fù)頻率分別為100ns和34.2kHz，且兩種調(diào)Q激光器輸出光束質(zhì)量均接近衍射極限。
　　最后，對(duì)失諧時(shí)振幅調(diào)制的主動(dòng)鎖模激光器進(jìn)行理論研究，討論了標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)對(duì)鎖模脈沖寬度的影響，并對(duì)激光器在連續(xù)鎖模和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的輸出功率性能進(jìn)行討論；基于弛豫振蕩現(xiàn)象，就Tm:YAP固體激光器和摻Tm3+光纖激光器輸出功率穩(wěn)定性進(jìn)行比較，指出摻Tm3+光纖激光器更適合作為鎖模激光器泵浦源；根據(jù)牛頓

9、望遠(yuǎn)鏡原理對(duì)鎖模激光器諧振腔進(jìn)行設(shè)計(jì)，并比較分析了各腔鏡間距離及角度對(duì)諧振腔內(nèi)光斑分布及其穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)上采用1940.3nm輸出的摻Tm3+光纖激光器作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了基于聲光鎖模器的Ho:LuVO4主動(dòng)鎖模激光器輸出，在被吸收泵浦功率為16.3W時(shí)，獲得最大平均輸出功率為3.04W，斜效率為22.9%，中心波長(zhǎng)為2073.8nm的穩(wěn)定鎖模脈沖激光輸出，相應(yīng)的重復(fù)頻率和最小脈沖寬度分別為82.7MHz和363.3ps，激光器輸出光