Nd：YVO-,4-，Nd：GdVO-,4-，BaWO-,4-，SrWO-,4-固體拉曼激光器.pdf

1、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)是一種有效的頻率轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換后的激光波長由泵浦光的波長和拉曼介質(zhì)決定。拉曼介質(zhì)有氣體、液體和固體三種形態(tài)，對氣體及液體拉曼激光器的研究已經(jīng)有幾十年的時(shí)間。與氣體和液體拉曼介質(zhì)相比，固體拉曼介質(zhì)具有粒子濃度大、體積小、拉曼增益高、熱傳導(dǎo)性好、機(jī)械特性好等優(yōu)點(diǎn)。而且以晶體作為拉曼介質(zhì)的固體拉曼激光器結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，穩(wěn)定性好，在信息、交通、測量、醫(yī)療、國防和工農(nóng)

2、業(yè)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。 近幾年固體拉曼介質(zhì)及固體拉曼激光器已成為激光材料和器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。俄羅斯科學(xué)家在晶體拉曼介質(zhì)生長和固體拉曼激光器研究方面做了許多開創(chuàng)性工作，居世界領(lǐng)先地位。此外，美國、德國、澳大利亞和中國臺灣等國家和地區(qū)的研究者都在積極地參與固體拉曼激光器的研究。在中國大陸，山東大學(xué)、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所也在積極地參與固體拉曼激光器的研究工作，在理論和實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)取得了一些研究成果。

3、固體拉曼激光器可以通過拉曼發(fā)生器、外腔、內(nèi)腔或者耦合腔來實(shí)現(xiàn)拉曼激光的輸出。拉曼晶體還可以摻入激光離子，例如Nd<'3+>離子，在這種情況下，一塊晶體可以同時(shí)作為激光增益介質(zhì)和拉曼增益介質(zhì)使用。 速率方程是研究激光器特性的有效理論工具。在傳統(tǒng)的調(diào)Q速率方程中，加入描述SRS效應(yīng)的項(xiàng)和一階斯托克斯光(Stokes)的微分方程，可以用來描述內(nèi)腔式拉曼激光器的輸出特性。平面波近似的速率方程認(rèn)為，腔內(nèi)的光子數(shù)密度和初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度在光

4、束截面內(nèi)是均勻的，只是時(shí)間的函數(shù)，與空間沒有關(guān)系，并且還認(rèn)為散射光的光束截面與基頻光的相同。實(shí)際激光器腔內(nèi)模式的橫向分布是不均勻的，通常假定激光器TEM<,OO>基模運(yùn)轉(zhuǎn)，光束的橫向分布可以近似為高斯分布?？紤]空間分布的速率方程能更精確的分析調(diào)Q拉曼激光器的激光脈沖特性。 內(nèi)腔式拉曼激光器由于能充分利用腔內(nèi)高的功率密度，所以受激拉曼散射閾值低，轉(zhuǎn)換效率高。而且由于用LD作為泵浦源的全固態(tài)內(nèi)腔式拉曼激光器結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，性能穩(wěn)定

5、，因而近幾年來內(nèi)腔式固體拉曼激光器的研究受到廣泛關(guān)注。 本論文以Nd∶YVO<,4>和Nd∶GdVO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，對Nd∶YVO<,4>和Nd∶GdVO<,4>主動和被動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。以：BaWO<,4>晶體和SrWO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，研究了外腔式拉曼激光器的輸出特性。本文研究的具體內(nèi)容為： 1．通過考慮腔內(nèi)基頻光和拉曼光光子數(shù)密度的橫向分布，以及熱透鏡效應(yīng)對固體拉曼

6、激光器輸出特性的影響。首次得出了考慮基頻光光子數(shù)密度、拉曼光光子數(shù)密度空間分布以及晶體熱效應(yīng)的主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方程。該速率方程能更好的描述拉曼激光器的輸出特性。 2．以Nd:YVO<,4>晶體同時(shí)作為激光介質(zhì)和拉曼介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q，研究LD端面泵浦主動調(diào)Q Nd:YgO<,4>自拉曼激光器的輸出特性。即在不同的脈沖重復(fù)率下，拉曼光的平均輸出功率、脈沖能量、脈沖寬度與泵浦功率的變化關(guān)系。數(shù)值求解了考慮空間分布及熱透鏡效應(yīng)的

7、主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方程，得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好地符合。 3．以Nd:GdgO<,4>晶體同時(shí)作為激光介質(zhì)和拉曼介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q，首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦主動調(diào)Q Nd:GdVO<,4>自拉曼激光器在11 73nm的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)泵浦功率為9.6W，脈沖重復(fù)率為30kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得拉曼光的最高輸出功率為1.22W，相對于LD泵浦功率的轉(zhuǎn)換效率為12.7﹪。數(shù)值求解了考慮空間分布及熱透鏡效應(yīng)的主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激

8、光器的速率方程，得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好地符合。 4．以Nd:YAG晶體作為激光介質(zhì)，GdgO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q，首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦主動調(diào)Q Nd:YAG/GdVO<,4>內(nèi)腔式拉曼激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。具體研究了在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，拉曼光的平均輸出功率、脈沖能量以及脈沖寬度與泵浦功率的變化關(guān)系。 5．研究了被動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方程，推導(dǎo)了考慮空間分布的被動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方

9、程。首次對新的速率方程進(jìn)行了歸一化處理，通過數(shù)值求解該速率方程，得到了各個(gè)綜合參量對內(nèi)腔式拉曼激光器性能的影響。 6．以Nd:GdgO<,4>晶體作為激光介質(zhì)和拉曼介質(zhì)，以Cr<'4+>:YAG晶體作為飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q自拉曼激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)；以Nd:YAG晶體作為激光介質(zhì)，GdVO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q Nd:YAG/GdVO<,4>內(nèi)腔式拉曼激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)值求解了考

10、慮空間分布的被動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方程，理論計(jì)算結(jié)果能較好的描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？紤]空間分布的速率方程可以精確地描述內(nèi)腔式拉曼激光器的特性。 7．以BaWO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，以主動調(diào)Q Nd:YAG激光器產(chǎn)生的波長為1064nm的激光作泵浦源，實(shí)現(xiàn)了外腔式BaWO<,4>拉曼激光器在紅外納秒脈沖泵浦下的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)得到一階Stokes激光的最大脈沖能量和最高轉(zhuǎn)換效率分別為39.9mJ和60.3﹪，二階Stokes激光

11、的最大脈沖能量和最高轉(zhuǎn)換效率分別為22.6mJ和34.9﹪。以SrWO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，研究了外腔式拉曼激光器的輸出特性。實(shí)驗(yàn)得到一階Stokes激光的最大脈沖能量和最高轉(zhuǎn)換效率分別為23.9mJ和36.2﹪，二階Stokes激光的最大脈沖能量和最高轉(zhuǎn)換效率分別為16.4mJ和25.4﹪。 本論文主要創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1．考慮了熱透鏡效應(yīng)對拉曼激光的影響，得出了考慮基頻光和拉曼光的光子數(shù)密度空間分布以及晶體熱效應(yīng)的主

12、動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方程。該速率方程能很好的描述主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的輸出特性。 2．首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦主動調(diào)Q Nd：GdVO<'4+>自拉曼激光器在1173nm的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)泵浦功率為9.6W，脈沖重復(fù)率為30kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得拉曼光的最高平均輸出功率為1.22W，相對于LD泵浦功率的轉(zhuǎn)換效率為12.7﹪。3．首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦主動調(diào)Q Nd：YAG/GdVO<'4+>內(nèi)腔式拉曼激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。研究了在不同的脈

13、沖重復(fù)率下，拉曼光的輸出特性與泵浦功率之間的變化關(guān)系。當(dāng)LD泵浦功率為9.6W，脈沖重復(fù)率為20kHz時(shí)，得到拉曼光的最高平均輸出功率為1.35W，相對于LD泵浦光的轉(zhuǎn)換效率為14.1﹪。4．在被動調(diào)Q激光器速率方程的基礎(chǔ)上，建立了考慮腔內(nèi)光子數(shù)密度空間分布、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)橫向分布以及光場的縱向分布的被動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方程。并首次對速率方程進(jìn)行了歸一化處理，通過數(shù)值求解該速率方程，得到了各個(gè)綜合參量對內(nèi)腔式拉曼激光器脈沖性能的影