Pr3+-GdLiF4晶體光譜及全固態(tài)激光特性研究.pdf

1、激光因具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高、相干性強(qiáng)等優(yōu)勢在軍事、醫(yī)學(xué)、通信、科研等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并逐漸在人類日常生活中占據(jù)重要地位?？梢娂す馐羌す馄鞯囊环N，在大屏幕顯示、水下通信、金屬加工、生物醫(yī)學(xué)、量子信息、直接倍頻產(chǎn)生紫外或深紫外激光等方面有獨(dú)特應(yīng)用。固體可見激光器在實(shí)現(xiàn)激光器小型化、緊湊化、高效化等方面有明顯優(yōu)勢而成為可見激光研究的重要課題。
　　實(shí)現(xiàn)固體可見激光輸出的方法主要包括激光二極管、非線性頻率轉(zhuǎn)換法及摻雜稀土離子受

2、激輻射法。激光二極管(LD)具有外形小、功耗低、驅(qū)動方便等優(yōu)點(diǎn)，但也同時存在光束質(zhì)量不佳、對溫度及靜電敏感、部分波長實(shí)現(xiàn)困難等缺點(diǎn)。目前，通過非線性晶體將近紅外波段激光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換至可見波段是獲得可見激光的常用方法，但該方法至少需要激光晶體和非線性晶體兩種完全不同的晶體，涉及激光原理及頻率轉(zhuǎn)換兩種理論，導(dǎo)致其設(shè)計和結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜。隨著LD技術(shù)的進(jìn)步，藍(lán)光LD逐漸成熟并開始商業(yè)應(yīng)用，以藍(lán)光LD為泵浦源直接泵浦摻雜稀土離子激光增益介質(zhì)可以實(shí)

3、現(xiàn)可見波段激光輸出，該方法無需非線性晶體，設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，有利于可見波段小型化全固態(tài)激光器的發(fā)展。三價鐠離子(Pr3+)的能級結(jié)構(gòu)及躍遷關(guān)系決定了該離子可實(shí)現(xiàn)藍(lán)光(479nm)、綠光(522nm、545nm)、橙光(605nm、607nm)、紅光(639nm、670nm)及深紅光(697nm、720nm)等多個可見波長激光輸出，近年來，以Pr3+離子為激活離子摻雜至基質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)可見激光輸出得到研究者關(guān)注。氟化物晶體具有較低的聲子能量

4、，有利于減小無輻射躍遷幾率，進(jìn)而提高發(fā)光效率。綜合Pr3+離子和氟化物晶體的特點(diǎn)，摻鐠氟化物晶體成為直接產(chǎn)生可見激光輸出的優(yōu)選激光增益介質(zhì)。
　　由于摻Pr3+離子氟化物晶體在實(shí)現(xiàn)可見激光研究方面時間較短，其光譜特別是可揭示發(fā)光機(jī)理和指導(dǎo)激光器設(shè)計的變溫光譜尚未深入研究，值得進(jìn)一步探索;同時，受限于可用可見波段光調(diào)制器件種類和鎖模技術(shù)，可見波段脈沖激光（包括調(diào)Q和鎖模）輸出研究較少，阻礙了大能量、窄脈沖、高重頻超快可見脈沖激光的發(fā)

5、展及應(yīng)用。本論文優(yōu)選Pr3+∶GdLiF4晶體為研究對象，從光譜測試和激光輸出特性出發(fā)，系統(tǒng)而全面地對Pr3+∶GdLiF4晶體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Pr3+∶GdLiF4晶體熒光壽命及發(fā)射截面與溫度變化有關(guān);優(yōu)化激光諧振腔實(shí)現(xiàn)了多個可見波長連續(xù)激光輸出;在充分分析二維材料能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出并驗(yàn)證了MoS2材料作為可見波段光調(diào)制器件的可行性，實(shí)現(xiàn)了多個可見波長調(diào)Q脈沖激光輸出;發(fā)展了自鎖模脈沖激光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了GHz高重頻超快可見脈沖激光輸出。

6、具體研究工作如下:
　　（一）Pr3+∶GdLiF4晶體光譜特性
　　測試了Pr3+∶GdLiF4晶體吸收光譜，該晶體吸收峰為443nm，和現(xiàn)有藍(lán)光LD的波長相吻合;測試了Pr3+∶GdLiF4晶體從77K到300K的熒光壽命及兩個偏振方向的發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)隨溫度升高熒光壽命逐漸減小，除522nm外，605nm、607nm、639nm、720nm發(fā)射截面均隨溫度升高而減小;解釋了熒光壽命及發(fā)射截面隨溫度變化的原因。
　　

7、（二）Pr3+∶GdLiF4晶體可見波段連續(xù)激光輸出
　　以激光諧振腔設(shè)計為理論指導(dǎo)，442nm藍(lán)光LD為泵浦源，Pr3+∶GdLiF4晶體為增益介質(zhì)，簡單平凹腔為諧振腔進(jìn)行連續(xù)激光實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了522nm、605nm、639nm、720nm四個可見波長連續(xù)激光輸出，通過優(yōu)化輸出鏡透過率及諧振腔長最高實(shí)現(xiàn)615mW紅光連續(xù)激光輸出，斜效率為46％，和Pr3+∶YLiF4晶體連續(xù)激光輸出水平相當(dāng)。
　?。ㄈ㏄r3+∶GdLiF

8、4晶體可見波段調(diào)Q脈沖激光輸出
　　以MoS2材料能帶結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，制備并表征了MoS2材料在可見波段的形貌及吸收特性，以MoS2材料為光調(diào)制器件實(shí)現(xiàn)了522nm、605nm、639nm、720nm四個可見波長調(diào)Q脈沖激光輸出，其重復(fù)頻率約為200kHz、脈沖寬度約為200ns，證實(shí)了MoS2材料作為可飽和吸收器件用于可見波段調(diào)Q脈沖激光輸出的可行性，豐富了可見波段光調(diào)制器件種類，為可見波段光調(diào)制器件研究提供了新思路。
　

9、?。ㄋ模㏄r3+∶GdLiF4晶體可見波段自鎖模脈沖激光輸出
　　以自鎖模研究現(xiàn)狀及克爾透鏡鎖模原理為基礎(chǔ)，利用簡單平凹腔實(shí)現(xiàn)了522nm、607nm、639nm、720nm四個可見波長自鎖模高重頻脈沖激光輸出，其重復(fù)頻率約3GHz、脈沖寬度約50-70ps，實(shí)驗(yàn)以藍(lán)光LD為泵浦源將自鎖模研究擴(kuò)展至可見波段并獲得高重頻脈沖激光輸出，首次實(shí)現(xiàn)LD泵浦的全固態(tài)可見脈沖激光輸出，為可見波段高重頻脈沖激光應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考。