單調(diào)Q和雙調(diào)Q激光特性及頻率變換特性研究.pdf

1、半導(dǎo)體激光二極管泵浦的全固態(tài)調(diào)Q激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、輸出脈沖持續(xù)時(shí)間短和能量高等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通訊傳輸、激光醫(yī)療、激光加工、激光測量和信息處理等方面有著廣泛應(yīng)用。調(diào)Q和雙調(diào)Q技術(shù)可以全面提升全固態(tài)調(diào)Q激光器的性能，包括壓縮輸出激光的脈沖寬度、提高脈沖峰值功率以及改進(jìn)脈沖波形對稱性等。
　　 本論文使用半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源，利用Nd∶LuVO4晶體作為激光增益介質(zhì)，通過使用聲光(Acousto-optic，AO)—

2、GaAs組合和Cr4+∶YAG—GaAs組合，分別研究了1064nm全固態(tài)主被動和雙被動調(diào)Q激光的特性;利用雙折射相位匹配的KTP倍頻晶體，分別研究了532nm內(nèi)腔倍頻Nd∶LuVO4晶體AO—GaAs主被動和Cr4+∶YAG—GaAs雙被動調(diào)Q激光的特性;利用Nd∶GdVO4晶體作為激光增益介質(zhì)，使用AO—V3+∶YAG組合和V3+∶YAG—Co∶LMA組合，分別實(shí)現(xiàn)了1342nm全固態(tài)主被動和雙被動調(diào)Q激光的運(yùn)轉(zhuǎn);同時(shí)給出了相關(guān)的雙

3、調(diào)Q激光耦合速率方程組，對上述雙調(diào)Q激光的特性進(jìn)行了理論研究;使用單壁碳納米管(Single-walledcarbonnanotube，SWCNT)作為飽和吸收體，分別實(shí)驗(yàn)研究了1064nm基頻被動調(diào)Q和540nm內(nèi)腔倍頻被動調(diào)Q激光的特性，并將其與電光(Electro-optic，EO)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了Nd∶Lu0.33Y0.37Gd0.3VO4三摻混合晶體的主被動雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)。論文主要的研究工作如下:
　　 Ⅰ實(shí)現(xiàn)了LD泵浦1

4、064nmNd∶LuVO4晶體AO和GaAs主被動雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)，并將GaAs飽和吸收體兼作耦合輸出鏡，得到了波形對稱的激光脈沖輸出。在AO重復(fù)頻率為10KHz和20KHz的條件下，分別測量了雙調(diào)Q激光的平均輸出功率、脈沖寬度、單脈沖能量和峰值功率?？紤]GaAs的單光子、雙光子和自由載流子吸收，給出了高斯分布近似下的主被動雙調(diào)Q激光的耦合速率方程組，數(shù)值模擬方程組的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。（第二章2.1）
　　 Ⅱ?qū)嶒?yàn)研究了LD泵

5、浦Nd∶LuVO4晶體Cr4+∶YAG和GaAs雙被動調(diào)Q激光的特性。與相同條件下的GaAs單被動調(diào)Q激光相比，雙被動調(diào)Q可以產(chǎn)生更窄的脈沖寬度和更加對稱的脈沖波形。實(shí)驗(yàn)中，使用了兩塊不同小信號透過率（T0=0.71和T0=0.81）的Cr4+∶YAG飽和吸收體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明T0=0.71時(shí)的雙被動調(diào)Q激光比T0=0.81時(shí)的雙被動調(diào)Q激光具有更窄的脈沖寬度和更高的峰值功率。（第二章2.2）
　　 Ⅲ實(shí)現(xiàn)了532nm內(nèi)腔倍頻Nd

6、∶LuVO4/KTP晶體AO和GaAs主被動雙調(diào)Q綠激光運(yùn)轉(zhuǎn)。測量了相同條件下的AO單主動和GaAs單被動調(diào)Q綠激光的平均輸出功率、脈沖寬度和單脈沖峰值功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與AO單主動和GaAs單被動調(diào)Q綠激光相比，主被動雙調(diào)Q綠光可以產(chǎn)生更加對稱的波形和更窄的脈沖寬度。在理論模擬方面，為了提高了理論模擬的精度，不僅考慮了腔內(nèi)光子數(shù)密度的橫向和縱向高斯分布，而且還考慮了KTP倍頻晶體的走離效應(yīng)，理論模擬值與與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。（第三章3.1

7、）
　　 Ⅳ同時(shí)使用GaAs和Cr4+∶YAG作為飽和吸收體，研究了532nm內(nèi)腔倍頻Nd∶LuVO4/KTP晶體雙被動調(diào)Q綠激光的特性。與相同條件下GaAs或Cr4+∶YAG單被動調(diào)Q內(nèi)腔倍頻綠激光相比，雙被動調(diào)Q綠激光脈沖波形更加對稱、脈寬更窄、單脈沖能量更大、峰值功率更高。此外，分析和研究了GaAs和Cr4+∶YAG飽和吸收體的小信號透過率與脈沖波形對稱因子之間的關(guān)系，通過選擇合適小信號透過率的Cr4+∶YAG和GaAs飽

8、和吸收體進(jìn)行組合，能夠得到極為對稱的脈沖波形。實(shí)驗(yàn)使用了三種小信號透過率的Cr4+∶YAG飽和吸收體，分別為T0=0.71、0.81和0.91，結(jié)果表明，使用T0=0.81的Cr4+∶YAG與GaAs相結(jié)合可以得到比其它兩種組合更加對稱的脈沖波形。理論計(jì)算中給出了高斯分布近似條件下內(nèi)腔倍頻雙被動調(diào)Q激光的耦合速率方程組，理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。（第三章3.2）
　　 V實(shí)現(xiàn)了平——平直腔下的LD泵浦1342nmNd∶GdVO

9、4晶體AO和V3+∶YAG主被動雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)，測量了主被動雙調(diào)Q激光的平均輸出功率、脈沖寬度和單脈沖峰值功率隨泵浦功率、AO重復(fù)頻率(10KHz—100KHz)之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與AO單主動或V3+∶YAG單被動調(diào)Q激光相比，雙調(diào)Q激光具有更窄的脈沖寬度和更高的單脈沖峰值功率?？紤]激光增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，建立了平——平直腔下的LD泵浦1342nmNd∶GdVO4晶體AO和V3+∶YAG主被動雙調(diào)Q激光的理論計(jì)算模型，并進(jìn)行了

10、數(shù)值模擬，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。（第四章4.1）
　　 Ⅵ使用平——平直腔，實(shí)現(xiàn)了1342nmNd∶GdVO4晶體V3+∶YAG和Co∶LMA雙被動調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與相同情況下的V3+∶YAG（Tv0=0.94，Tv0=0.5）或者Co∶LMA（Tvc0=0.9）單被動調(diào)Q激光相比，雙被動調(diào)Q激光可以獲得更窄的脈沖寬度以及更高的單脈沖峰值功率。理論計(jì)算中考慮了激光增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)引起的腔內(nèi)光子數(shù)密度的橫向及縱向

11、高斯空間分布，給出了1342nm雙被動調(diào)Q激光的速率方程組，數(shù)值模擬方程組的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。此外，對相同飽和吸收體小信號透過率下的雙被動調(diào)Q激光和單被動調(diào)Q激光作了理論分析，結(jié)果表明即使具有相同的小信號透過率，雙被動調(diào)Q激光仍能產(chǎn)生比單被動調(diào)Q激光更窄的脈沖寬度。（第四章4.2）
　　 Ⅶ實(shí)驗(yàn)研究了Nd∶Lu0.33Y0.37Gd0.3VO4三摻混合晶體SWCNT被動調(diào)Q1064nm激光的特性，獲得52ns的最窄脈沖寬度和

12、66.5W的最高單脈沖峰值功率。研究表明，對于1064nm全固態(tài)被動調(diào)Q激光器，SWCNT是一個(gè)性能優(yōu)良的飽和吸收體。為了更好地研究SWCNT的飽和吸收特性，實(shí)驗(yàn)中使用了三塊不同的激光晶體，分別是Nd∶Lu0.33Y0.37Gd0.3VO4三摻混合晶體、Nd∶Lu0.15Y0.85VO4兩摻混合晶體以及Nd∶LuVO4晶體。測量和分析了三種被動調(diào)Q激光的脈沖寬度、脈沖重復(fù)率以及單脈沖峰值功率，結(jié)果表明，使用三摻混合晶體作為激光增益介質(zhì)可

13、以獲得更窄的脈沖寬度和更高的單脈沖峰值功率。（第五章5.1）
　　 Ⅷ測量了808nmLD泵浦Nd∶SSO晶體的熒光譜線，結(jié)果表明中心波長為1080.1nm，熒光線寬為3.4nm。實(shí)現(xiàn)了540nm內(nèi)腔倍頻Nd∶SSO/KTP晶體SWCNT被動調(diào)Q綠激光運(yùn)轉(zhuǎn)。在泵浦功率為最大值11.8W時(shí)，得到了最高平均輸出功率0.89W，對應(yīng)的光—光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為7.5％和12.3％，同時(shí)獲得了94.8ns的最窄脈沖寬度和19.1W的最

14、高單脈沖峰值功率。（第五章5.2）
　　 Ⅸ基于EO和SWCNT雙損耗調(diào)Q，實(shí)驗(yàn)研究了Nd∶Lu0.33Y0.37Gd0.3VO4三摻混合晶體1064nm主被動雙調(diào)Q激光特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與EO單主動調(diào)Q和SWCNT單被動調(diào)Q激光相比，主被動雙調(diào)Q激光有效地壓縮了脈沖寬度、提高了單脈沖峰值功率。在EO重復(fù)頻率分別為2KHz和4KHz時(shí)，測量了主被動雙調(diào)Q激光的平均輸出功率、脈沖寬度和單脈沖峰值功率。在泵浦功率為最大值11.43

15、W和EO重復(fù)率為2KHz時(shí)，主被動雙調(diào)Q激光得到了最窄的脈沖寬度17.6ns和最高的單脈沖峰值功率19886W。（第五章5.3）
　　 本論文的主要創(chuàng)新包括:
　　 Ⅰ首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦1064nmNd∶LuVO4晶體AO和GaAs主被動雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得了波形對稱的激光脈沖輸出，研究了雙調(diào)Q激光的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律;建立了高斯分布近似下的主被動雙調(diào)Q激光的耦合速率方程組，數(shù)值模擬方程組的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
　　 Ⅱ

16、首次利用Nd∶LuVO4晶體作為激光增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了Cr4+∶YAG—GaAs雙被動調(diào)Q1064nm激光運(yùn)轉(zhuǎn)。與GaAs單被動調(diào)Q激光相比，雙被動調(diào)Q可以產(chǎn)生更窄的脈沖寬度和更加對稱的脈沖波形。
　　 Ⅲ首次實(shí)現(xiàn)了532nm內(nèi)腔倍頻Nd∶LuVO4/KTP晶體AO—GaAs主被動雙調(diào)Q和Cr4+∶YAG—GaAs雙被動調(diào)Q綠激光運(yùn)轉(zhuǎn);理論計(jì)算中考慮了KTP晶體的走離效應(yīng)，提高了理論計(jì)算的準(zhǔn)確度;分析研究了GaAs和Cr4+∶YA

17、G飽和吸收體的小信號透過率與脈沖波形對稱因子之間的關(guān)系，通過選擇合適小信號透過率的Cr4+∶YAG和GaAs進(jìn)行組合，可以獲得極為對稱的脈沖波形。
　　 Ⅳ首次實(shí)現(xiàn)了平—平諧振腔1342nmNd∶GdVO4晶體AO—V3+∶YAG主被動雙調(diào)Q和V3+∶YAG—Co∶LMA雙被動調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與相同情況下單調(diào)Q激光相比，雙調(diào)Q激光可以獲得更窄的脈沖寬度以及更高的單脈沖峰值功率。考慮了激光增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，建立了高

18、斯近似下1342nm雙調(diào)Q激光的速率方程組，數(shù)值模擬方程組的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，對相同小信號透過率下的雙被動調(diào)Q激光和單被動調(diào)Q激光作了理論分析，結(jié)果表明即使具有相同的小信號透過率，雙被動調(diào)Q激光仍能產(chǎn)生比后者更窄的脈沖寬度。
　　 V首次使用單壁碳納米管作為飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)了Nd∶Lu0.33Y0.37Gd0.3VO4三摻混合晶體的被動調(diào)Q和540nm倍頻Nd∶SSO/KTP晶體被動調(diào)Q激光的運(yùn)轉(zhuǎn);將單壁碳納米管與EO結(jié)合