二極管泵浦單摻Tm3+固體激光器研究.pdf

1、隨著紅外激光光源在激光遙感、激光測(cè)距、光譜分析、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間通訊以及軍事方面應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，其重要性越來(lái)越明顯。Tm激光器的輸出波長(zhǎng)為2μm附近，處于大氣窗口，為遙感探測(cè)以及光電對(duì)抗提供了有利工具，是相干多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)、差分吸收雷達(dá)和激光測(cè)距機(jī)等系統(tǒng)的理想光源。此外，Tm固體激光器還是獲得3～5μm波段光學(xué)參量振蕩激光輸出的理想泵浦源。本論文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)常溫下四種單摻 Tm3+固體激光器進(jìn)行了較為深入細(xì)致的比較研究和探索

2、。
　　首先對(duì) Tm3+在 GdVO4和YAP基質(zhì)中紅外、可見和紫外波段的吸收光譜、發(fā)射光譜和熒光壽命進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，給出了詳細(xì)的能級(jí)分布和高度。其次，根據(jù)這些基本數(shù)據(jù)，計(jì)算出晶體的吸收截面、發(fā)射截面和有效受激發(fā)射截面。最后，與Tm3+在LuAG和YAG基質(zhì)中的光譜性質(zhì)比較，定性的分析了晶體基質(zhì)對(duì) Tm3+能級(jí)分布和躍遷的影響。這些數(shù)據(jù)是J-O理論計(jì)算和激光器實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。
　　理論方面，主要是對(duì) Tm3+在不同基質(zhì)中的光譜

3、參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析并建立了 Tm激光器連續(xù)和Q運(yùn)轉(zhuǎn)的速率方程模型。首先，通過 J-O理論，計(jì)算了 Tm3+在 GdVO4和YAP中的強(qiáng)度參數(shù)并獲得了多項(xiàng)光譜參數(shù)（自發(fā)輻射躍遷幾率、輻射壽命、熒光分支比和積分發(fā)射截面）。通過對(duì)光譜參數(shù)的對(duì)比，從理論上分析了 Tm3+在哪些晶體基質(zhì)中和Tm3+的哪些躍遷最有可能獲得激光輸出，并對(duì)上轉(zhuǎn)換熒光所發(fā)生的能級(jí)和強(qiáng)弱對(duì)比進(jìn)行合理解釋。其次，在詳細(xì)地分析了粒子躍遷和能量傳遞過程的基礎(chǔ)上，考慮了能量傳遞上轉(zhuǎn)

4、換和基態(tài)損耗效應(yīng)的影響，建立了端面連續(xù)泵浦 Tm激光器的準(zhǔn)三能級(jí)速率方程的理論模型。得到了描述輸出功率與泵浦功率關(guān)系的方程，利用此方程討論了晶體長(zhǎng)度、粒子摻雜濃度、輸出鏡透過率等對(duì)激光器輸出特性的影響。并討論了不同上能級(jí)壽命情況下，Q脈沖輸出單脈沖能量與調(diào)制頻率之間的關(guān)系，為 Tm激光器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。最后，在 Tm激光器不同運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，理論分析了F-P標(biāo)準(zhǔn)具、復(fù)合腔和雙折射濾光片對(duì)波長(zhǎng)選擇和線寬壓縮作用。此外，利用 ANSYS軟

5、件不僅計(jì)算了 Tm:GdVO4和Tm:YAP晶體內(nèi)的溫度梯度分布而且對(duì)注入鎖定實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的試驗(yàn)平臺(tái)共振頻率進(jìn)行了理論分析。
　　實(shí)驗(yàn)方面，主要對(duì)不同基質(zhì)的Tm激光器在單頻、調(diào)諧、調(diào) Q等運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為不同應(yīng)用方向的Tm激光晶體的選擇提供重要的參考依據(jù)。首先對(duì)于單頻輸出的Tm:GdVO4、Tm:YAP、Tm:YAG和Tm:LuAG微片激光器進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。分別利用標(biāo)準(zhǔn)具法和復(fù)合腔法獲得了連續(xù)

6、單頻輸出 Tm激光器，并利用腔內(nèi)插入雙折射濾光片和標(biāo)準(zhǔn)具的方法實(shí)現(xiàn)了寬帶可調(diào)諧的單頻 Tm:YAP激光輸出。其次，研究在高功率泵浦條件下 Tm:GdVO4、Tm:YAP、Tm:YAG和Tm:LuAG塊狀晶體激光的連續(xù)波輸出，連續(xù)波寬帶調(diào)諧輸出，聲光調(diào) Q等輸出性質(zhì)，從不同角度給出影響連續(xù)功率輸出的各種因素，包括：晶體材料、晶體質(zhì)量、耦合輸出透射率、晶體長(zhǎng)度、工作溫度等。分析了不同晶體材料的熱力學(xué)性質(zhì)、測(cè)量了熱透鏡焦距。給出 Q輸出條件下