紅外激光納米增益材料制備及大功率激光輸出特性研究.pdf

1、激光增益介質(zhì)一般包括固體(例如Nd3+:YAG、Yb3+:YAG)、半導(dǎo)體(例如GaAs、InP)、液體(例如有機(jī)染料溶液、摻Nd3+無(wú)機(jī)液體)、氣體(例如CO2、He-Ne)等。傳統(tǒng)上,這些增益介質(zhì)都是體材料或塊材料。近年來(lái),半導(dǎo)體納米晶體材料(量子點(diǎn))作為激光增益介質(zhì)得到了人們的極大關(guān)注。量子點(diǎn)由于其特殊的量子限域效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等,使得其展現(xiàn)出與普通體材料完全不同的光學(xué)、電學(xué)特性,例如其發(fā)光譜由連續(xù)譜變?yōu)榉至⒌碾x散譜、發(fā)光波長(zhǎng)與

2、其尺寸有關(guān)、明顯的斯托克斯頻移,等等,使得其在光電子增益型器件(光放大器、激光器)、太陽(yáng)能電池、生物醫(yī)學(xué)、示蹤劑等方面開(kāi)拓了極為廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文主要圍繞先進(jìn)制造技術(shù)中的加工源-激光器開(kāi)展工作。由于激光加工光源通常為紅外激光器,因此,本文從紅外激光增益介質(zhì)材料制備入手,制備了PbSe量子點(diǎn)玻璃和量子點(diǎn)光纖。提出了新型的波長(zhǎng)可調(diào)諧的光纖激光器-PbSe量子點(diǎn)光纖激光器(QDFL),分析了其動(dòng)力學(xué)機(jī)理,進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和模擬

3、,得到了量子點(diǎn)光纖激光具有摻雜飽和濃度低、光纖飽和長(zhǎng)度短、泵浦效率高等特點(diǎn),然而,光纖溫升較為明顯。同時(shí),針對(duì)目前普遍存在的大功率橫流CO2激光光束質(zhì)量問(wèn)題展開(kāi)研究,理論分析了其橫模的形成機(jī)理,建立了較為完整的激光能級(jí)粒子數(shù)速率方程,進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和模擬,得到了電極結(jié)構(gòu)和氣體流速是影響激光橫模和功率主要因素的結(jié)論。主要工作如下:
　　 1.采用ZnSe代替Se作為PbSe量子點(diǎn)的硒源,通過(guò)高溫熔融-熱處理法,成功制備了較高濃度的

4、PbSe量子點(diǎn)硅酸鹽玻璃。通過(guò)X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、熒光光譜(PL)等方法對(duì)PbSe量子點(diǎn)玻璃進(jìn)行表征。結(jié)果表明,制備的PbSe量子點(diǎn)在玻璃中的含量高,且PL峰值強(qiáng)度和FWHM大。同時(shí)探索不同熱處理?xiàng)l件對(duì)量子點(diǎn)尺寸和熒光發(fā)射的峰值波長(zhǎng)、半高寬和輻射強(qiáng)度的影響。
　　 2.采用高溫熔融-熱處理法嘗試制備PbSe量子點(diǎn)碲酸鹽玻璃。通過(guò)XRD等方法進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明,碲酸鹽玻璃中沒(méi)有PbSe量子點(diǎn)晶體析出。我

5、們總結(jié)分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)形成原因做了探討。
　　 3.采用熔融拉絲法,將PbSe量子點(diǎn)硅酸鹽玻璃拉制成量子點(diǎn)光纖。用光學(xué)顯微鏡、XRD和TEM等方法對(duì)其進(jìn)行了觀測(cè)與分析。結(jié)果表明,制備的光纖直徑均勻、表面光滑、直徑與普通光纖接近(125μm)。通過(guò)熱處理后,光纖中含有一定量的PbSe量子點(diǎn),其機(jī)械性能與普通的SiO2光纖差不多。
　　 4.利用PbSe量子點(diǎn)作為光纖激光增益介質(zhì),基于PbSe量子點(diǎn)的吸收和發(fā)射譜,建立了

6、二能級(jí)系統(tǒng)的粒子數(shù)速率方程、光傳播方程和熱傳導(dǎo)方程,并數(shù)值求解之,探索了不同泵清方式對(duì)QDFL輸出功率的影響,分析了QDFL的溫度分布特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)QDFL的溫度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的摻鐿光纖激光器,提出了改善QDFL熱效應(yīng)的方案。
　　 5.針對(duì)大功率橫流CO2激光器管板式電極結(jié)構(gòu),由麥克斯韋方程給出電場(chǎng)空間分布,據(jù)此求解時(shí)空分布的激光能級(jí)粒子數(shù)速率方程,得到了激光強(qiáng)度的橫向分布。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了激光橫模,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬得到的激光能量分布基本