Nd：LuVO-,4-晶體特性及其全固態(tài)激光器研究.pdf

1、隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光器在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、科研以及我們的日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。LD泵浦的全固態(tài)激光器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、效率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性好，成為目前激光器件的研究熱點(diǎn)。激光晶體是全固態(tài)激光器的重要組成部分，它的物理和光譜性質(zhì)決定了激光器的輸出特性。近幾年來(lái)，在一些新研究的激光晶體中，Nd：LuVO<,4>激光晶體由于具有優(yōu)良的激光特性而受到人們的重視。首先，Nd：LuVO<,4>晶體具有大的吸收截面和吸收帶

2、寬，適中的激光上能級(jí)壽命，可以應(yīng)用到低閾值的微片激光器中。而且，Nd：LuVO<,4>晶體在1.06μm的發(fā)射截面高于其它釩酸鹽晶體，擁有比Nd：LuVO<,4>晶體更高的熱導(dǎo)率，可以在大功率泵浦中獲得穩(wěn)定、高效的激光輸出。另外，Nd：LuVO<,4>激光器的輸出具有很好的偏振特性，在頻率轉(zhuǎn)換中能得到較高的轉(zhuǎn)換效率。Nd：LuVO<,4>晶體是在2002年被首次報(bào)道，目前對(duì)它的激光研究開(kāi)展的還不多，只有少量的連續(xù)和聲光Q特性研究。本論文

3、對(duì)提拉法生長(zhǎng)的Nd：LuVO<,4>晶體的結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、光譜、全固態(tài)激光器輸出特性進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容概括如下： (1)介紹了LD泵浦的全固態(tài)激光器的發(fā)展歷史及LD泵浦的全固態(tài)激光器的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)幾種常用激光晶體的物理和光學(xué)特性作了比較分析。對(duì)Nd：LuVO<,4>晶體的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的概括和總結(jié)，并就Nd：LuVO<,4>晶體今后可能應(yīng)用于全固態(tài)激光器的幾個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行了展望。 (2)對(duì)拉曼散射理

4、論及Nd：LuVO<,4>晶體結(jié)構(gòu)的研究。從經(jīng)典和量子理論兩個(gè)方面研究了拉曼散射譜線(xiàn)的頻移和強(qiáng)度。通過(guò)商群理論對(duì)Nd：LuVO<,4>晶體對(duì)稱(chēng)性分類(lèi)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果為：Γ=5A<,1g>+7B<,1g>+2B<,2g>+10E<,g>，最多可以觀察到34支拉曼活性光學(xué)模。通過(guò)選取X(ZZ)X，X(YY)X，Z(XY)Z，Y(XZ)]Y的幾何配置，利用共焦顯微拉曼光譜儀獲得了A<,1g>、A<,1g>+B<,1g>、B<,2g>、E

5、模，并對(duì)獲得的譜線(xiàn)進(jìn)行了指認(rèn)。除了A<,1g>中的v<,2>模由于和v<,4>模重疊而有所加寬外，其余的譜線(xiàn)都很細(xì)銳，細(xì)銳的拉曼譜線(xiàn)證明了Nd離子的摻入并沒(méi)有使晶體微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的位錯(cuò)和形變。 (3)而且X(ZZ)X配置中，A<,lg>對(duì)稱(chēng)類(lèi)的vI模(V-O對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng))對(duì)應(yīng)的拉曼峰903cm<'-1>強(qiáng)度最大，是實(shí)現(xiàn)拉曼激光器的首選譜線(xiàn)，可以沿著a軸通光實(shí)現(xiàn)自拉曼輸出。 (3)對(duì)Nd:LuVO<,4>晶體熱學(xué)特性(熱導(dǎo)率、熱膨

6、脹系數(shù)、比熱)的研究。通過(guò)用激光閃爍法測(cè)量Nd:LuVO<,4>晶體的熱擴(kuò)散系數(shù)，利用公式κ=apC<,P>計(jì)算了Nd:LuVO<,4>晶體的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低，而且c向熱導(dǎo)率大于a向熱導(dǎo)率。在330K時(shí)，a軸熱導(dǎo)率為7.9W/mK，c軸熱導(dǎo)率為9.7W/mK，高于Nd:YVO<,4>晶體。測(cè)量的比熱為0.45J／/K，比熱大，在晶體內(nèi)部引起的溫度梯度小，所能承受的抗損傷閾值高。而且Nd:LuVO<,4>晶體具有適中的熱

7、膨脹系數(shù)，因而Nd:LuVO<,4>晶體擁有優(yōu)良的熱學(xué)性能，適合中高功率激光泵浦。 (4)對(duì)Nd:LuVO<,4>晶體光譜特性的研究，包括偏振吸收譜、熒光譜、透過(guò)譜。利用光譜儀測(cè)量了Nd:LuVO<,4>晶體的偏振吸收譜。利用JO理論并使用Origin軟件對(duì)Nd:LuVO<,4>晶體吸收和發(fā)射的光譜參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明:Nd:LuVO<,4>晶體對(duì)兀偏振光的吸收明顯強(qiáng)于σ偏振。計(jì)算了<'4>F<,3/2>，態(tài)的能級(jí)壽命以及由

8、此態(tài)向低能態(tài)躍遷的熒光分支比、受激輻射幾率、譜線(xiàn)強(qiáng)度、振子強(qiáng)度、積分發(fā)射截面。得出<'4>F<3/2>的能級(jí)壽命為129μs。1.06μm的熒光分支比最大，為50.22﹪，有最強(qiáng)的激光振蕩強(qiáng)度和積分發(fā)射截面，是最容易實(shí)現(xiàn)振蕩的一條譜線(xiàn)。0.9μm的譜線(xiàn)具有較大的熒光分支比和基態(tài)斯塔克分裂值，也是很有應(yīng)用價(jià)值的一條譜線(xiàn)。而且，Nd:LuVO<,4>晶體在近紅外波段有較高的透過(guò)率。 (5)從四能級(jí)的速率方程出發(fā)，推導(dǎo)了激光器穩(wěn)態(tài)條件

9、下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光的輸入輸出特性，討論了LD端面泵浦固態(tài)激光器的閾值和斜效率。對(duì)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的a=cut軸和C-Cut軸1.06μm和1.34μm的Nd:LuVO<,4>激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，討論了輸出鏡對(duì)激光輸出特性的影響以及激發(fā)態(tài)吸收對(duì)1.34μm激光輸出的影響。當(dāng)T=10﹪，泵浦功率為19W時(shí)，a-cut軸的Nd:LuVO<,4>激光器最大輸出功率為7.67W，光．光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為40.3﹪和50.5﹪；對(duì)于1.34μm，當(dāng)T=

10、4﹪，泵浦功率為16.18W時(shí)，C-cut軸的Nd：LuVO<,4>激光器得到了2.015W的輸出，其光．光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為12.5﹪和14.2﹪。對(duì)于1.34μm的激光器，a-cut軸的Nd：LuVO<,4>激光器輸出效率低于C-cut軸的Nd：LuVO<,4>激光器。 (6)考慮飽和吸收體的激發(fā)態(tài)吸收，對(duì)被動(dòng)調(diào)Q的速率方程進(jìn)行了研究，得到了速率方程的解，并模擬了脈寬、重復(fù)頻率、峰值功率、單脈沖能量隨Cr<'4+>：Y

11、AG初始透過(guò)率和輸出鏡透過(guò)率的變化關(guān)系。首次對(duì)Nd：LuVO<,4>晶體被動(dòng)調(diào)Q激光特性進(jìn)行了研究，分析了Q參數(shù)的影響因素。得到的最高光．光轉(zhuǎn)換效率為10.7﹪，斜效率為17.6﹪(T<,0>=85﹪,T=40﹪)；最窄脈寬為 12ns(To=70﹪,T=40﹪)；最高重復(fù)頻率為156kHz(T<,0>=85﹪,T=10﹪)；最大單脈沖能量為33.9μJ，最大峰值功率為2.83kW(T<,0>=70﹪,T=40﹪)。并和Nd：YVO<,

12、4>晶體的調(diào)Q輸出特性進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)Nd：LuVO<,4>晶體比Nd：YVO<,4>晶體擁有更窄的脈寬和更低的重復(fù)頻率，因而Nd：LuVO<,4>激光器能得到更高的單脈沖能量和峰值功率。 (7)首次開(kāi)展了Nd：LuVO<,4>晶體鎖模激光器的研究。利用折疊腔理論，考慮泵浦光在Nd：LuVO<,4>晶體內(nèi)引起的熱透鏡效應(yīng)，對(duì)鎖模激光器的諧振腔進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中，采用V型腔并使用不同輸出鏡透過(guò)率和不同初始透過(guò)率的飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)

13、了鎖模激光器的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。在激光晶體上的光斑半徑為200μm，飽和吸收體上的光斑半徑為34μm，光斑壓縮比為6，鎖模調(diào)制深度達(dá)到了40﹪-50﹪。并討論了Cr<'4+>：YAG初始透過(guò)率對(duì)鎖模調(diào)制深度的影響。 (8)從耦合波方程出發(fā)，對(duì)光學(xué)參量振蕩原理進(jìn)行了研究。通過(guò)非線(xiàn)性晶體KTP的折射率方程，采用II類(lèi)相位匹配，得出當(dāng)0=90°，φ=0°，1。06μm泵浦時(shí)，可以得到1.57μm波長(zhǎng)人眼安全激光輸出。使用內(nèi)腔式單諧振OPO，聲

14、光調(diào)Q方式，KTP為II類(lèi)非臨界相位匹配，首次對(duì)Nd：LuV04晶體1.57μm光參量振蕩激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。獲得1.57μm最短脈寬為4ns，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵浦光有效的脈寬壓縮，壓縮比為6，最大的單脈沖能量和峰值功率分別為24μJ、4.8kW。討論了聲光開(kāi)關(guān)頻率對(duì)激光器泵浦閾值的影響，對(duì)1.57μm激光出現(xiàn)的次級(jí)脈沖進(jìn)行了分析，并提出了減小次級(jí)脈沖的方法。使用KTP晶體的臨界相位匹配，聲光調(diào)Q方式，實(shí)現(xiàn)了Nd：LuVO<,4>晶體的脈沖綠