LD泵浦雙損耗調(diào)制的調(diào)Q和鎖模激光特性及動(dòng)態(tài)熱效應(yīng)研究.pdf

1、LD泵浦的高峰值功率、高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量調(diào)Q和鎖模激光器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)、通訊、軍事、醫(yī)療等各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,因而受到人們的極大關(guān)注。脈沖寬度、脈沖對(duì)稱性、脈沖穩(wěn)定性以及脈沖峰值功率是調(diào)Q和鎖模激光的重要參數(shù),針對(duì)這一問題,本文采用電光主動(dòng)與飽和吸收體被動(dòng)吸收的雙損耗調(diào)Q及鎖模機(jī)制,從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了雙調(diào)Q和雙調(diào)Q鎖模激光特性；利用半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)作鎖模元件,研究并對(duì)比了Nd:YV

2、O4,Nd:LuVO4和Nd:Y0.15Lu0.85VO4不同晶體的鎖模激光特性；最后理論分析了脈沖激光器的動(dòng)態(tài)溫度分布及動(dòng)態(tài)熱效應(yīng)對(duì)激光輸出穩(wěn)定性的影響。論文主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。
　　 Ⅰ.采用電光和Cr4+:YAG主被動(dòng)雙損耗調(diào)制,研究了LD泵浦YVO4/Nd:YVO4晶體雙調(diào)Q1.06μm激光特性和KTP內(nèi)腔倍頻0.53μm綠光特性；在不同泵浦功率和調(diào)制頻率下測(cè)量了激光輸出功率、脈沖寬度、單脈沖能量和峰值功率與泵浦功率的

3、依賴關(guān)系,與單一電光調(diào)Q相比,雙損耗調(diào)制的調(diào)Q激光脈沖變窄、峰值功率提高:通過考慮反轉(zhuǎn)粒子密度對(duì)激光晶體吸收系數(shù)的影響,建立了高斯分布近似下描述EO/Cr4+:YAG雙調(diào)Q激光基頻及倍頻輸出特性的速率方程組,數(shù)值模擬方程組的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
　　 Ⅱ.利用GaAs雙光子吸收對(duì)調(diào)Q脈沖后沿的壓縮效應(yīng),研究了LD泵浦YVO4/Nd:YVO4晶體,EO/GaAs雙損耗調(diào)制的1.06μm和KTP內(nèi)腔倍頻0.53μm調(diào)Q激光特性；與

4、單一電光調(diào)Q激光相比,雙損耗調(diào)Q機(jī)制能有效壓縮脈沖寬度、改善脈沖波形的對(duì)稱性、提高峰值功率；通過引入激光晶體中反轉(zhuǎn)粒子密度縱向衰減對(duì)激光輸出特性的影響,給出高斯分布近似下描述電光-GaAs雙調(diào)Q激光基頻及倍頻輸出特性的速率方程組,數(shù)值模擬方程組的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
　　 Ⅲ.將電光調(diào)Q和Cr4+:YAG被動(dòng)鎖模相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了LD泵浦雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模1.06μm激光運(yùn)轉(zhuǎn),并研究了激光輸出特性；與單一Cr4+:YAG被動(dòng)調(diào)Q

5、鎖模激光相比,調(diào)Q包絡(luò)的脈寬減小、峰值功率提高、鎖模脈沖的調(diào)制深度增加、脈沖的穩(wěn)定性增強(qiáng)；根據(jù)光強(qiáng)起伏機(jī)制結(jié)合調(diào)Q速率方程組,建立了描述電光-Cr4+:YAG雙調(diào)Q鎖模激光特性的速率方程,理論模擬再現(xiàn)了調(diào)Q鎖模脈沖波形,并估算出鎖模脈沖寬度。
　　 Ⅳ.采用四鏡折疊腔,結(jié)合KTP腔內(nèi)倍頻技術(shù),實(shí)現(xiàn)了LD泵浦EO/Cr4+:YAG雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模532 nm激光運(yùn)轉(zhuǎn),獲得不同泵浦功率和電光調(diào)制頻率下輸出功率、脈沖寬度及脈沖峰值

6、功率的依賴關(guān)系。與Cr4+:YAG單一被動(dòng)調(diào)Q鎖模激光相比,雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模綠激光的脈沖輸出更穩(wěn)定、脈沖能量更大、峰值功率更高、鎖模脈沖的調(diào)制度更深。
　　 Ⅴ.利用SESAM可飽和吸收體作為鎖模器件,分別實(shí)現(xiàn)了Nd:YVO4、Nd:LuVO4、Nd:Lu0.15Y0.85VO4三種激光晶體的鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。測(cè)量并比較了三者的平均輸出功率、鎖模脈沖寬度及峰值功率。與單一Nd:YVO4、Nd:LuVO4晶體相比,Nd:Lu0.15Y

7、0.85VO4混晶鎖模脈沖更窄、峰值功率更高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同晶體間相互摻雜,可以有效增加混合晶體的熒光譜線寬度,從而壓縮鎖模脈沖寬度,提高峰值功率。
　　 Ⅵ.實(shí)現(xiàn)了LD泵浦YVO4/Nd:YVO4晶體,KTP內(nèi)腔倍頻,SESAM連續(xù)鎖模532nm綠光激光運(yùn)轉(zhuǎn),獲得了穩(wěn)定的皮秒綠光脈沖輸出,并研究了鎖模綠光的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律。
　　 Ⅶ.理論分析了LD脈沖泵浦激光晶體的瞬時(shí)熱效應(yīng),討論了晶體熱弛豫時(shí)間、泵浦脈沖峰值功率和重復(fù)

8、頻率對(duì)晶體中溫度分布的影響。研究了脈沖泵浦激光器中,熱焦距及熱致?lián)p耗隨時(shí)間的變化關(guān)系,為優(yōu)化泵浦源及激光腔參數(shù)提供了理論依據(jù)。
　　 Ⅷ.建立了LD連續(xù)泵浦調(diào)Q激光器的動(dòng)態(tài)熱模型,通過求解熱傳導(dǎo)方程與調(diào)Q速率方程的耦合方程,詳細(xì)研究了低重復(fù)頻率下激光晶體中的動(dòng)態(tài)溫度分布。結(jié)果表明,熱平衡建立的時(shí)間取決于晶體的熱弛豫時(shí)間,晶體溫度的上升值由受激吸收截面決定,溫度振蕩系數(shù)則主要受晶體熒光壽命的影響。
　　 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作

9、包括:
　　 Ⅰ.首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦YVO4/Nd:YVO4晶體EO/Cr4+:YAG雙損耗調(diào)制的調(diào)Q1.06μm和KTP腔內(nèi)倍頻0.53μm激光運(yùn)轉(zhuǎn),與單一電光調(diào)Q激光相比,雙損耗調(diào)制的調(diào)Q激光壓縮了脈沖寬度、提高了峰值功率；建立了高斯分布近似下描述EO/Cr4+:YAG雙調(diào)O激光基頻及倍頻輸出特性的速率方程組,數(shù)值模擬方程組的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
　　 Ⅱ.首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦YVO4/Nd:YVO4晶體電光-GaA

10、s雙損耗調(diào)制的1.06μm和KTP腔內(nèi)倍頻0.53μm調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn),獲得了脈沖寬度為2.5 ns、峰值功率為300kW的調(diào)Q激光輸出；與單一電光調(diào)Q激光相比,雙損耗調(diào)Q機(jī)制壓縮了脈沖寬度、改善了脈沖波形的對(duì)稱性、提高了峰值功率,脈沖寬度壓縮比達(dá)68.7％,峰值功率的提高達(dá)86.8％；理論上,給出描述高斯分布近似下電光.GaAs雙調(diào)Q激光特性的速率方程組,數(shù)值模擬方程組的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
　　 Ⅲ.首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦電光-C

11、r4+:YAG雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)；結(jié)合光強(qiáng)起伏機(jī)制理論,建立高斯分布近似下描述EO/Cr4+:YAG雙損耗調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程組,理論模擬再現(xiàn)了調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)過程。
　　 Ⅳ.首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦、電光-Cr4+:YAG雙損耗調(diào)制、KTP內(nèi)腔倍頻雙調(diào)Q鎖模0.53μm激光運(yùn)轉(zhuǎn)。與Cr4+:YAG單一被動(dòng)調(diào)Q鎖模激光器相比,雙損耗調(diào)制激光脈沖的非穩(wěn)定度從40％減小到4.8％,脈沖寬度壓縮了62％,脈沖能量提

12、高10倍,鎖模脈沖峰值功率提高40倍。
　　 Ⅴ.利用SESAM飽和吸收體作鎖模器件,首次實(shí)現(xiàn)了Nd:Lu0.15Y0.85VO4混合晶體的鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)。與單一激光晶體Nd:LuVO4和Nd:YVO4相比,由于混合晶體具有較寬熒光譜線,因而產(chǎn)生的鎖模脈沖寬度更窄,峰值功率更高。
　　 Ⅵ.首次提出調(diào)Q激光器動(dòng)態(tài)熱模型,分析了連續(xù)光泵浦低重復(fù)率調(diào)Q激光晶體的溫度演化過程和瞬時(shí)溫度分稚。探究了熱弛豫時(shí)間、晶體熒光壽命,受激吸