鈥釩酸鹽2μm激光特性及其泵浦長波光參量振蕩器的研究.pdf

1、中紅外波段的2μm以及長波紅外波段的8-10μm固體激光器,由于其波長處于大氣透明窗口及對人眼安全,因此在激光光電對抗、激光遙感、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測及光通信領域具有重要的應用前景。近年來,Tm3+和 Ho3+作為獲得2μm激光輸出的首選稀土離子而獲得了廣泛的研究,其主要的摻雜基質有YAP、YAG以及YLF等。與2μm激光不同,目前缺乏能直接產(chǎn)生8-10μm這個波段激光輸出的固體增益介質,因此通常采用對2μm激光進行頻率下轉換的方式來獲得長波

2、紅外激光輸出。本論文以獲得高功率、高光束質量的2μm激光和有效的8-10μm激光輸出作為基本出發(fā)點,從理論和實驗方面詳細研究了摻 Ho釩酸鹽(Ho:YVO4/Tm,Ho:YVO4/Tm,Ho:GdVO4)激光增益介質的光譜特性和激光特性,然后進一步采用2μm釩酸鹽激光器作為泵浦源,對比研究了ZnGeP2(ZGP)和CdSe光學參量振蕩器(OPO)在8-10μm波段的激光特性,最終實現(xiàn)了高功率、較好光束質量的8-10μm可調諧激光輸出。<

3、br>　　首先,為了滿足泵浦常溫Ho:YVO4晶體的需要,從理論和實驗上詳細研究了a軸(Pbnm)切割的1.94μm Tm:YAP激光器。介紹了Tm:YAP晶體的光譜特性,并根據(jù)光譜從理論上計算了不同軸向切割的Tm:YAP晶體在諧振腔不同輸出鏡透過率下的增益系數(shù),進而指出對于a軸切割的Tm:YAP晶體需要采用波長選擇元件強制1.94μm激光起振的必要性。根據(jù)Tm:YAP晶體1.9μm激光的產(chǎn)生機理和能級躍遷機制,建立了雙端泵浦的單摻Tm

4、3+準三能級速率方程模型。在考慮泵浦光導致的晶體內溫度分布對速率方程中激光能級玻爾茲曼占有因子影響的前提下,通過對速率方程的求解,對Tm:YAP激光器的激光參數(shù)比如晶體長度、泵浦光聚焦深度及輸出鏡透過率等進行了數(shù)值優(yōu)化。實驗上,通過采用雙Tm:YAP晶體腔內串接以及利用體光柵(VBG)和在腔內插入F-P標準具共同限制振蕩波長的方式,最終獲得了20W穩(wěn)定的1.94μm激光輸出,為泵浦Ho:YVO4晶體奠定了基礎。
　　其次,利用設計

5、的1.94μm Tm:YAP激光器作為泵浦源,對常溫Ho:YVO4激光器進行了詳細的理論分析和實驗研究。詳細測量了Ho:YVO4晶體的吸收光譜,熒光光譜以及上能級壽命,并根據(jù)互易法和F-L方程計算了Ho:YVO4晶體在2μm波段的光譜有效發(fā)射截面,從而為2μm激光運轉提供了光譜分析基礎。根據(jù)測量的光譜計算了Ho:YVO4晶體在激光諧振腔不同輸出鏡透過率下的增益系數(shù),從理論上分析了不同輸出鏡透過率下Ho:YVO4晶體可能的振蕩波長及其波長

6、偏振。建立了單摻Ho3+的準二能級速率方程模型,通過對速率方程的求解詳細討論了Ho:YVO4激光器中的泵浦飽和效應、激光正增益所需要的最小粒子數(shù)以及單程、雙程泵浦方式等對激光輸出功率的影響。實驗上,通過選擇不同的輸出鏡透過率或者在諧振腔中插入F-P標準具,從而實現(xiàn)并首次報道了常溫下Ho:YVO4晶體熒光譜上不同發(fā)射峰對應的高效的2μm激光輸出。
　　進一步研究了液氮制冷下Tm,Ho:YVO4晶體的2μm激光輸出性能,并與Tm,Ho

7、:GdVO4晶體在2μm波段的激光性能進行對比。理論上,建立了雙摻Tm-Ho激光器的速率方程模型,通過對速率方程的討論,指出為了獲得高效的2μm激光輸出而對Tm-Ho雙摻激光晶體采取液氮制冷的重要性。實驗上,詳細對比研究了傳統(tǒng)的非鍵合和鍵合Tm,Ho:YVO4晶體的2μm激光輸出性能,通過采用鍵合晶體最終獲得了高達23.4W的2.05μm連續(xù)激光輸出,斜率效率和光光轉換效率分別為37.3％和35.4%。在調Q運行狀態(tài)下,當脈沖重復頻率為

8、15kHz、20kHz和25kHz時分別獲得了19.2W、20.3W和20.5W的平均功率輸出,對應的最小脈沖寬度分別為20ns、22ns和22.9ns。對Tm,Ho:GdVO4晶體,采用雙晶體腔內串接的方式,當脈沖重復頻率為10kHz時獲得了最大18W的2.05μm激光輸出,對應的最小脈沖寬度為28ns。
　　最后,采用設計的Tm-Ho雙摻釩酸鹽激光器作為泵浦源,對比研究了ZGP OPO和CdSe OPO的8-10μm激光輸出性

9、能。簡要介紹了OPO理論,對比分析了ZGP OPO和CdSe OPO的振蕩閾值,為OPO實驗設計提供了指導原則。實驗上詳細對比研究了一類和二類相位匹配的ZGP OPO。通過使用具有一定信號光透過率的輸出鏡,提高了單共振OPO晶體端面鍍膜的泵浦損傷閾值。對一類相位匹配的ZGP OPO,當輸出波長為8.06μm時獲得了最大1.63W的穩(wěn)定功率輸出,對應的光光轉換效率為8.9%,斜效率為12.6%,并實現(xiàn)了波長從7.66μm到9.63μm約2