LD泵浦全固態(tài)調(diào)Q激光特性理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、激光二極管(LD)泵浦的固體激光器具有全固化、體積小、泵浦效率高等特點(diǎn)，在激光通訊、遙感探測(cè)、工業(yè)加工、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，受到人們極大的關(guān)注。 本論文采用光纖耦合輸出的激光二極管作泵浦源，用Nd：YVO<,4>、Nd：GdVO<,4>晶體作激光工作物質(zhì)，分別研究了飽和吸收體Cr<'4+>：YAG和GaAs被動(dòng)調(diào)Q激光的脈沖輸出特性以及脈寬控制特性，研究了聲光一Cr<'4+>：YAG和聲光-GaAs主被動(dòng)調(diào)

2、Q及Cr<'4+>：YAG-GaAs雙被動(dòng)調(diào)O激光的脈沖輸出特性，研究了周期極化KTP(PPKTP)晶體的倍頻激光特性，同時(shí)，運(yùn)用速率方程對(duì)以上調(diào)Q激光的運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了理論分析。論文的主要研究工作包括： Ⅰ實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd：YVO<,4>晶體、Cr<'4+>：YAG被動(dòng)調(diào)Q 1.06μm激光運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量了不同Cr<'4+>：YAG小信號(hào)透過(guò)率、不同輸出鏡反射率及泵浦功率下的單脈沖能量、峰值功率、脈沖寬度和重復(fù)率；同時(shí)，考慮腔內(nèi)光

3、子數(shù)密度的橫向與縱向分布以及激活介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度、飽和吸收體基態(tài)粒子數(shù)密度和泵浦光的橫向空間分布，給出了描述調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程新模型，通過(guò)數(shù)值求解，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(第二章第一節(jié)) Ⅱ采用三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd：YvO<,4>晶體、KTP內(nèi)腔倍頻、Cr<'4+>：YAG被動(dòng)調(diào)Q 0.5 3μm綠激光輸出，對(duì)不同Cr<'4+>：YAG小信號(hào)透過(guò)率、不同泵浦功率下的脈沖寬度、重復(fù)率、單脈沖能量和峰值

4、功率進(jìn)行了測(cè)量；在理論分析中，將二次諧波轉(zhuǎn)換視為諧振腔的一種非線性損耗，并考慮調(diào)Q激光速率方程的新模型，對(duì)Nd：YvO<,4>/KTP、Cr<'4+>：YAG被動(dòng)調(diào)O綠激光脈沖輸出性能進(jìn)行了理論模擬。(第二章第二節(jié)) Ⅲ對(duì)LD泵浦GaAs被動(dòng)調(diào)Q Nd：YVO<,4>激光進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了不同輸出鏡反射率下輸出脈沖的寬度、重復(fù)率、單脈沖能最及峰值功率隨泵浦功率的變化關(guān)系；存理淪分析中，考慮GaAs飽和吸收體的單、

5、雙光子吸收過(guò)程，利用速率方程的新模型，對(duì)GaAs破動(dòng)淵Q輸出特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。(第三章第一節(jié))IV實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd：GdVO<,4>體、KTP內(nèi)腔倍頻、GaAs被動(dòng)訓(xùn)Q0.53μm綠激光運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量了不同泵浦功率下的脈沖寬度、重復(fù)率、單脈沖能量和峰值功率，并運(yùn)用速率方程的新模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(第三章第二節(jié)) V研究了LD泵浦Nd：GdVO<,4>晶體、GaAs被動(dòng)調(diào)Q激光的脈寬控制特性

6、，結(jié)果表明，改變GaAs飽和吸收體在激光腔內(nèi)的位置及泵浦光束腰在激活介質(zhì)中的位置能有效地控制脈寬；在理論分析中，考慮激活介質(zhì)的薄透鏡效應(yīng)，利用ABCD矩陣?yán)碚?，給出了振蕩光光斑半徑隨泵浦功率、泵浦光半徑以及在激光腔內(nèi)不同位置的變化關(guān)系，運(yùn)用速率方程新模型直接獲得了脈寬與振蕩光和泵浦光光斑大小之間的關(guān)系，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。(第四章第一節(jié)) VI采用三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)分別改變Cr<'4+>:YAG飽和吸收體在激光腔內(nèi)的位置及

7、泵浦光束腰在激活介質(zhì)中的位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LD泵浦Nd:YVO<,4>/KTP內(nèi)腔倍頻、Cr<'4+>:YAG被動(dòng)調(diào)Q綠激光的脈寬控制；在理論分析中，首先給出了振蕩光光束半徑隨泵浦功率、泵浦光半徑以及在腔內(nèi)不同位置的變化關(guān)系，之后利用速率方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(第四章第二節(jié)) VII對(duì)LD泵浦聲光和Cr<'4+>針:YAG雙調(diào)ONd:YVO<,4>激光的脈寬壓縮特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了不同聲光調(diào)制頻率下雙調(diào)Q

8、和單一聲光調(diào)Q兩種激光的脈寬隨泵浦功率的變化關(guān)系，結(jié)果表明，與單一聲光調(diào)Q激光相比，雙調(diào)Q激光的脈寬明顯被壓縮；同時(shí)，考慮腔內(nèi)光子數(shù)密度的橫向與縱向分布以及激活介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度、飽和吸收體基態(tài)粒子數(shù)密度和泵浦光的橫向空間分布，首次給出了描述主被動(dòng)雙調(diào)Q激光脈沖輸出性能的速率方程模型，數(shù)值求解方程的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。(第五章第一節(jié)) VⅢ實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd:GdVO<,4>晶體、聲光和GaAs雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)，并與單一

9、聲光或GaAs闊QNd:GdVO<,4>激光進(jìn)行了比較，測(cè)量了不同聲光調(diào)制頻率下三種調(diào)Q激光的脈沖輸出特性，結(jié)果顯示，雙調(diào)Q激光不但脈寬被壓縮，而且產(chǎn)生的脈沖形狀更對(duì)稱：在理論分析中， 考慮GaAs飽和吸收體的單、雙光子吸收過(guò)稚，利用主被動(dòng)調(diào)Q速率方程模型，對(duì)聲光和GaAs雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了理論模擬。(第五章第二節(jié))IX 將 GaAs 同時(shí)兼做調(diào)Q元件和諧振腔的輸出鏡，實(shí)現(xiàn)了 LD 泵浦 Nd:GdVO<,4>晶體、Cr<'4+

10、>：YAG和GaAs艤被動(dòng)調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)，并同Cr<'4+>：YAG或GaAs單一被動(dòng)調(diào)ONd:GdVO<,4>激光進(jìn)行了比較，測(cè)量了不同Cr<'4+>：YAG小信號(hào)透過(guò)率下三種調(diào)Q激光的脈寬、重復(fù)率、單脈沖能量和峰值功率隨泵浦功率的變化關(guān)系，結(jié)果表明，同單一被動(dòng)調(diào)Q激光相比，雙被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光不僅能壓縮脈寬、形狀更對(duì)稱，而且單脈沖能量和峰值功率較高；在理論分析中，通過(guò)進(jìn)一步考慮激活介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和泵浦光的縱向分布，首次給出了描述雙被

11、動(dòng)調(diào)Q激光脈沖輸出性能的速率方程模型，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。(第五章第三節(jié)) X 采用三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)，對(duì)LD泵浦聲光和GaAs雙調(diào)QNd:YVO<,4>/KTP綠激光脈寬壓縮特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并同單一聲光或GaAs調(diào)QNd:YvO<,4>/KTP激光進(jìn)行了比較，測(cè)量了三種調(diào)Q激光的脈寬隨泵浦功率和聲光調(diào)制頻率的變化關(guān)系，該雙調(diào)Q激光的最大特點(diǎn)也是不但脈寬被壓縮，而且產(chǎn)生的脈沖形狀更對(duì)稱；同時(shí)，利用主被動(dòng)調(diào)Q速率方程模

12、型，對(duì)聲光和GaAs雙調(diào)Q綠激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了理論分析。(第五章第四節(jié)) XI采用Cr<'4+>：YAG作為飽和吸收體，利用PPKTP作為折疊內(nèi)腔倍頻晶體，實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd:YvO<,4>晶體被動(dòng)調(diào)Q 0.53μm綠激光輸出，測(cè)量了不同Cr<'4+>：YAG小信號(hào)透過(guò)率、不同泵浦功率下的脈沖寬度、重復(fù)率、單脈沖能量和峰值功率，同時(shí)，運(yùn)用準(zhǔn)相位匹配理論和速率方程新模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(第六章第一節(jié)) XII實(shí)現(xiàn)

13、了LD泵浦Nd:YVO<,4>晶體、PPKTP折疊腔倍頻、GaAs被動(dòng)調(diào)Q 0.53 μm綠激光運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量了脈沖寬度、重復(fù)率、單脈沖能量和峰值功率隨泵浦功率的變化關(guān)系，數(shù)值求解Nd:YVO<,4>/PPKTP、GaAs被動(dòng)調(diào)Q耦合方程組的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。(第六章第二二節(jié)) XⅢ實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd:YVO<,4>/PPKTP折疊腔倍頻、聲光調(diào)Q 0.53μm綠激光輸出，對(duì)不同聲光調(diào)制頻率、不同泵浦功率下的脈沖寬度、單脈沖

14、能量和峰值功率進(jìn)行了測(cè)量，并利川耦合速率方程組對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(第六章第三節(jié))0 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作包括： Ⅰ首次考慮腔內(nèi)光子數(shù)密度的橫向與縱向分布以及激活介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和泵浦光的橫向空間'分布，建立了拙述LD泵浦固體調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程新模型，并運(yùn)用該模型對(duì)Cr<'4+>YAG被動(dòng)調(diào)Q激光特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 Ⅱ考慮飽和吸收體GaAs單、雙光子吸收過(guò)程，首次運(yùn)用速率方程

15、新模型對(duì)GaAs被動(dòng)調(diào)Q激光的運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了理論分析，數(shù)值求解方程的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。 Ⅲ首次對(duì)LD泵浦Nd：Gdv0<,4>晶體、GaAs被動(dòng)調(diào)Q和Nd：Yv0<,4>/KTP、Cr<'4+>：YAG被動(dòng)調(diào)Q的綠激光脈寬控制特性進(jìn)行了研究，考慮激活介質(zhì)的薄透鏡效應(yīng)，利用ABCD矩陣?yán)碚摚状谓o出了直腔和三鏡折疊腔中振蕩光光斑半徑隨泵浦功率、泵浦光半徑以及在激光腔內(nèi)不同位置的變化關(guān)系，運(yùn)用速率方程新模型獲得了脈

16、寬與振蕩光和泵浦光光斑大小之間的關(guān)系，從而首次從理論上直接證明了改變飽和吸收體在激光腔內(nèi)的位置及泵浦光束腰在激活介質(zhì)中的位置能有效地對(duì)脈寬進(jìn)行控制。 Ⅳ首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd：Yv0<,4>晶體、聲光一Cr<'4+>：YAG雙調(diào)Q和Nd：GdV0<,4>晶體、聲光一GaAs主被動(dòng)調(diào)Q及Nd：Gdv0<,4>晶體、Cr<'4+>：YAG—GaAs雙被動(dòng)調(diào)Q和Nd：YV0<,4>/KTP、聲光一GaAs雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)，并對(duì)雙調(diào)

17、Q激光的脈寬壓縮特性以及脈沖對(duì)稱性進(jìn)行了研究，考慮腔內(nèi)光子數(shù)密度、激活介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和泵浦光的橫向與縱向分布，首次給出了描述雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程模型，數(shù)值求解方程的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 Ⅴ首次利用PPKTP作為倍頻晶體，對(duì)LD泵浦Nd：YV0<,4>晶體、Cr<'4+>：YAG和GaAs被動(dòng)調(diào)Q及聲光調(diào)Q綠激光特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，將二次諧波轉(zhuǎn)換視為諧振腔的一種非線性損耗，首次將準(zhǔn)相位匹配理論和速