新型摻釹釩酸鹽與硅酸鹽晶體光譜及全固態(tài)激光特性研究.pdf

1、作為激光器的核心部件，激光材料一直是人們研究的熱點。由于良好的光學(xué)特性、機械特性以及穩(wěn)定的化學(xué)特性，釹摻雜的釩酸鹽和硅酸鹽晶體成為兩大類比較重要的激光增益介質(zhì)。對于釩酸鹽晶體來說(Nd∶YVO4，Nd∶LuVO4和Nd∶GdVO4)，因為其內(nèi)部摻雜的釹離子具有較大的吸收截面和受激發(fā)射截面，從而使得該類晶體成為中小功率全固態(tài)激光器的首選。然而，大的受激發(fā)射截面和相對較短的上能級壽命限制了該類材料在中小功率脈沖激光器中的應(yīng)用。為了解決這一難

2、題，近幾年生長出了摻釹釩酸鹽“混晶”（主要是Nd∶GdY1-xVO4、Nd∶LuxGd1-xVO4和Nd∶LuxY1-xVO4）。研究證明，在該類“混晶”中基質(zhì)不同陽離子的相互取代使得釹離子的受激發(fā)射截面減小且上能級壽命增長，相應(yīng)的使得其能量存儲能力增強。從本質(zhì)上來說產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是此類“混晶”中釹激活離子發(fā)射光譜的非均勻展寬，然而對于非均勻展寬的的直接測量國內(nèi)外未見任何報道。針對這一研究空白，本論文第二章對上述三種釩酸鹽混晶中

3、（GdxY1-xVO4，LuGd1-xVO4和LuxY1-xVO4）釹離子發(fā)射光譜的非均勻展寬情況進(jìn)行了直接研究。結(jié)果表明，由于基質(zhì)中相同晶格內(nèi)不同陽離子的相互占據(jù)，“混晶”光譜有了明顯的非均勻展寬。而這種展寬對于調(diào)Q和鎖模脈沖激光器來說都是非常有益的。另外，根據(jù)我們測得的不同溫度光譜發(fā)現(xiàn)，隨著溫度增加發(fā)射譜變寬且發(fā)射峰均出現(xiàn)紅移。在低溫77K下，通過與常規(guī)釹釩酸鹽晶體(Nd∶YVO4，Nd∶LuVO4和Nd∶GdVO4)半峰寬的比較，

4、可以直接得到每種組分配比的非均勻展寬量。對三個系列的釩酸鹽混晶來說，最大的非均勻展寬和最長的能級壽命分別來自Nd∶Gd0.63Y0.37VO4、Nd∶Lu0.5Gd0.5VO4以及Nd∶Lu0.61Y0.39VO4。通過首次對非均勻展寬效應(yīng)的直接測量，可以確信基質(zhì)陽離子相互取代是一種用來調(diào)節(jié)激活離子發(fā)射特性從而滿足不同激光需求的有效技術(shù)手段。
　　近年來，大量的激光實驗都證明Nd∶GdxY1-xVO4和Nd∶LuxGd1-xVO4

5、晶體脈沖能量增強效應(yīng)和更短脈沖鎖模特性。本文結(jié)合直接測量的光譜非均勻展寬特性發(fā)展了新型Nd∶LuxY1-xVO4晶體，并在第三章系統(tǒng)全面地研究了該系列晶體的調(diào)Q、鎖模以及自受激拉曼激光特性。在調(diào)Q脈沖激光實驗中，用c切Nd∶Lu0.1Y0.9VO4晶體得到了脈寬為1.9ns、能量為104.7μJ以及峰值功率為55.1kW的1.06μm被動調(diào)Q脈沖輸出。用a切Nd∶Lu0.1Y0.9VO4晶體得到脈寬為23.8ns，脈沖能量為124μJ以

6、及峰值功率5.21kW的1.3μm聲光調(diào)Q脈沖輸出。本章也首次實現(xiàn)了該系列晶體的聲光自拉曼激光輸出，用半徑為800μm的大光斑激光二極管作為泵浦源有效減小了激光和拉曼過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)。結(jié)合c切晶體大的能量存儲能力最終得到1175nm拉曼激光結(jié)果為:101μJ脈沖能量，1.3ns脈沖寬度和78kW峰值功率。通過比較a切Nd∶LuxY1-xVO4系列晶體的聲光自拉曼激光輸出結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2.3W的最大輸出功率來自具有較大熱導(dǎo)率的Nd∶Lu0.

7、26Y0.74VO4晶體。除此之外，本章也研究了該系列晶體的鎖模激光特性，最短的鎖模脈寬來自光譜最寬的組分(x=0.61)，這也間接地證明了Nd∶Lu0.61Y0.39VO4晶體中釹離子最強的非均勻展寬效應(yīng)。
　　對于硅酸鹽晶體的研究，之前主要是集中在閃爍晶體和鐿離子摻雜上。近年來由于該類晶體的各向異性激光發(fā)射特性，釹激活離子摻雜的研究也頻繁出現(xiàn)。然而，目前的研究還停留在基礎(chǔ)工作，包括材料的生長、非偏振發(fā)射譜的測量、單一切向激光輸

8、出等。對其偏振光譜、各向異性發(fā)射及應(yīng)用方面研究甚少。針對這樣的研究現(xiàn)狀，本文第四章通過測量不同折射率主軸方向的偏振發(fā)射譜，首次計算了Nd∶LYSO晶體受激發(fā)射截面的空間分布;并利用受激發(fā)射截面很好地解釋了該晶體的各向異性激光輸出，提出利用低對稱性晶體不同切向發(fā)射特性的差異來滿足不同實際需要。利用該晶體雙波長輸出特性，結(jié)合新型可飽和吸收材料石墨烯的寬波段調(diào)制特性成功實現(xiàn)了雙波長同步調(diào)Q激光輸出。所得到的最大脈沖平均輸出功率為1.8W，單脈

9、沖能量為11.3μJ，峰值功率為118W。比光纖激光器中相應(yīng)結(jié)果大2～4個數(shù)量級，這也是目前石墨烯應(yīng)用于全固態(tài)激光器中的最好輸出結(jié)果。良好的的脈沖輸出特性已能實現(xiàn)腔外非線性和頻，這不但說明得到的雙波長在時域上是同步的，另一方面也有助于石墨烯的進(jìn)一步實用化。
　　利用Nd∶LYSO晶體作為激光增益介質(zhì)，我們在簡單緊湊的兩鏡腔內(nèi)觀察到了連續(xù)和脈沖光漩渦激光輸出，詳見本論文第五章。這是國際上首次直接產(chǎn)生光漩渦（沒用任何其他輔助光學(xué)元件）

10、。隨著泵浦功率的增加，脈沖光漩渦的脈沖能量維持相對穩(wěn)定但是其軌道角動量是增加的。用柱透鏡對組成模式轉(zhuǎn)換器，將得到的LG模式光漩渦轉(zhuǎn)化為HG模式輸出，從而確定我們得到的是LG01和LG02模式的光漩渦。為了更明確光漩渦的產(chǎn)生過程和變化原因，用量子虧損更嚴(yán)重的1.36μm的激光輸出來進(jìn)行驗證。結(jié)果高階LG模式出現(xiàn)得更早且最終得到了更高階的LG10模激光。結(jié)合在1.08μm的光漩渦輸出情況我們初步進(jìn)行了解釋:在連續(xù)激光運轉(zhuǎn)下，熱透鏡效應(yīng)使得振

11、蕩光模式半徑變小，然后通過與泵浦光的模式匹配來進(jìn)行輸出激光模式的選擇。在脈沖激光運轉(zhuǎn)中，除了熱透鏡效應(yīng)之外還有高功率密度所引進(jìn)的非線性效應(yīng)，這就更加加劇了光漩渦的產(chǎn)生，因此在脈沖激光中可以較早地得到光漩渦。此外，在1.36μm的被動調(diào)Q實驗中，我們所用的可飽和吸收體為石墨烯，該過程證實石墨烯在對激光進(jìn)行脈沖調(diào)制時不影響拓?fù)潆姾傻淖兓?，可以作為光漩渦脈沖調(diào)制器件。本章研究的這種結(jié)構(gòu)緊湊、軌道角動量可連續(xù)改變的光漩渦激光脈沖將在很多領(lǐng)域有潛