2微米單摻Ho釩酸鹽固體激光器特性研究.pdf

1、2μm波段的激光不僅在大氣傳輸、煙霧穿透和人眼安全等方面性能顯著，而且可以被水分子、CO2分子和N2O分子等多種分子所吸收，因此在激光測(cè)距、激光外科手術(shù)、紅外光譜分析以及環(huán)境檢測(cè)等不同領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值，而不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)す廨敵鲂阅苡胁煌蟆榱藵M足激光加工、激光雷達(dá)以及光電對(duì)抗等領(lǐng)域?qū)Ω咧貜?fù)頻率窄脈沖寬度2μm激光器的迫切需求，必須采用具有較大發(fā)射截面，較長(zhǎng)能級(jí)壽命，熱機(jī)械性能穩(wěn)定的激光增益介質(zhì)。目前，在常溫下只有單摻Ho固體激

2、光器能較好的滿足這個(gè)要求，但增益介質(zhì)可選范圍仍然較小，因此探索新型單摻Ho激光增益介質(zhì)，為2μm固體激光器提供潛在的、優(yōu)良的激光光源則具有重要的科學(xué)研究及應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，本論文開展了新型單摻Ho釩酸鹽基質(zhì)固體激光器輸出特性的研究工作，以期能為相關(guān)領(lǐng)域的拓展做出一定的貢獻(xiàn)。
　　首先，對(duì)不同機(jī)制2μm激光器的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了詳細(xì)的闡述以及分析，明確了利用Tm激光器帶內(nèi)泵浦單摻Ho激光增益介質(zhì)獲得高性能2μm激光的必要性。通過對(duì)單摻H

3、o釩酸鹽激光晶體的光譜特性、晶體內(nèi)溫度場(chǎng)分布和熱透鏡效應(yīng)的研究，指出單摻Ho釩酸鹽激光晶體在2μm激光輸出性能以及熱管理方面的優(yōu)勢(shì)。
　　通過分析單摻Ho釩酸鹽晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)，綜合考慮上轉(zhuǎn)換和基態(tài)損耗的影響，建立了單摻Ho釩酸鹽激光器準(zhǔn)四能級(jí)速率方程模型。通過對(duì)速率方程的求解，理論分析了泵浦光、激光晶體以及諧振腔等參數(shù)對(duì)單摻Ho釩酸鹽激光器性能的影響，得出了泵浦光束腰位置、最佳泵浦光與振蕩光模式匹配和輸出鏡透過率的最佳范圍，同時(shí)指

4、出單摻Ho釩酸鹽晶體是非常優(yōu)良的2μm激光晶體。
　　利用1.94μm Tm光纖激光器作為泵浦源，對(duì)單摻Ho釩酸鹽激光器連續(xù)波輸出特性進(jìn)行了理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合對(duì)釩酸鹽晶體熱透鏡效應(yīng)的分析，進(jìn)行了諧振腔的設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定性分析。實(shí)驗(yàn)上，在吸收泵浦功率34W時(shí)，Ho:YVO4激光器的最大輸出功率為12.3W，斜率效率為44.5％。在吸收泵浦功率為34.3W時(shí)，Ho:GdVO4激光器獲得了11.2W的連續(xù)功率輸出，斜率效率為40.1%

5、。
　　接下來對(duì)單摻Ho釩酸鹽主動(dòng)聲光調(diào)Q激光器進(jìn)行了理論分析以及實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)調(diào)Q技術(shù)原理，建立了主動(dòng)調(diào)Q的速率方程。利用速率方程理論分析了提高脈沖能量、脈沖峰值功率以及壓縮脈沖寬度的可行方法。實(shí)驗(yàn)上，在重復(fù)頻率為10kHz，吸收泵浦功率34.2W時(shí)，Ho:YVO4激光器獲得了平均功率為11.4W的2052nm激光輸出，對(duì)應(yīng)的斜率效率為41.2%，最小脈沖寬度約為19.3ns，而Ho:GdVO4激光器則獲得平均功率為10.2W的

6、2048nm激光輸出，對(duì)應(yīng)的斜率效率為37.3%，最小脈沖寬度約為5.8ns。這兩種單摻Ho釩酸鹽激光器均獲得接近衍射極限的光束質(zhì)量，均為TEM00模激光輸出。
　　最后，對(duì)單摻Ho釩酸鹽被動(dòng)調(diào)Q激光器進(jìn)行了理論分析以及實(shí)驗(yàn)研究。在理論上，研究了Cr2+:ZnS晶體的特性，明確了作為2μm被動(dòng)調(diào)Q固體激光器可飽和吸收體的優(yōu)勢(shì)，建立了被動(dòng)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的速率方程模型，模擬了Ho:YVO4激光晶體的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、可飽和吸收體的基態(tài)粒子數(shù)