全固化短脈沖調(diào)Q、鎖模激光特性研究.pdf

1、半導(dǎo)體泵浦的全固化短脈沖激光器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、熱效應(yīng)小、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量高、工作介質(zhì)覆蓋的波段范圍廣及運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣化等優(yōu)點(diǎn)，在空間通訊、光顯示、光互聯(lián)、光信息處理、激光加工、激光醫(yī)療和軍事武器裝備等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景，引起人們極大的關(guān)注。 本論文采用光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器作泵浦源，用Nd：YVO<'4+>、Nd：GdVO<,4>和Cr4<'4+>：Nd<'3+>：YAG晶體作激光工作物質(zhì)，利用聲光開關(guān)、飽

2、和吸收體Cr<'4+>：YAG和GaAs分別作為腔內(nèi)調(diào)制元件，研究了主動(dòng)和被動(dòng)調(diào)Q激光的脈沖輸出特性；利用聲光一Cr<'4+>：YAG組合、聲光-GaAs組合以及Cr<'4+>：YAG-GaAs組合研究了主被動(dòng)雙調(diào)Q和雙被動(dòng)調(diào)Q激光的脈沖輸出特性；利用周期極化KTP(PPKTP)晶體作為腔內(nèi)倍頻晶體研究了準(zhǔn)相位匹配綠光激光器連續(xù)及調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)特性；利用Cr<'4+>：YAG和GaAs飽和吸收體作為腔內(nèi)鎖模元件，分別實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)；同

3、時(shí)，運(yùn)用高斯分布近似下的速率方程組對(duì)上述調(diào)Q及調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了理論模擬。論文的主要研究工作包括： Ⅰ研究了聲光開關(guān)關(guān)斷時(shí)間對(duì)調(diào)O脈沖特性的影響，并考慮腔內(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，給出了描述聲光主動(dòng)調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程新模型。(§2．1)Ⅱ分別實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd：YVO<'4+>、Nd：GdVO<'4+>晶體聲光主動(dòng)調(diào)Q 1.06μm激光運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量了不同重復(fù)頻率和

4、泵浦功率下的單脈沖能量、峰值功率、脈沖寬度；同時(shí)利用聲光主動(dòng)調(diào)O速率方程新模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(§2.2)Ⅲ考慮高斯分布近似下倍頻晶體內(nèi)二次諧波轉(zhuǎn)換造成的非線性損耗及激活介質(zhì)熱效應(yīng)引起的熱致?lián)p耗和沿腔軸各點(diǎn)處光束半徑的變化，并結(jié)合聲光主動(dòng)調(diào)Q激光速率方程的新模型，給出了描述聲光主動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)倍頻綠光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程組；采用三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd：YVO<'4+>、Nd：GdVO<'4+>晶體KTP內(nèi)腔倍頻聲光主動(dòng)調(diào)

5、Q0.53gm綠光運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)不同重復(fù)頻率和泵浦功率下的脈沖寬度、單脈沖能量和峰值功率進(jìn)行了測(cè)量，并利用速率方程組模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(§2-3、§2．4)Ⅳ考慮GaAs飽和吸收體的單、雙光子吸收過程及腔內(nèi)光子數(shù)密度的空間高斯分布，建立了描述GaAs被動(dòng)調(diào)O特性的速率方程組：實(shí)現(xiàn)了LD泵浦GaAs被動(dòng)調(diào)Q Nd：YVO<'4+>、Nd：GdgO<'4+>激光器運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量了不同輸出鏡反射率下輸出脈沖的寬度、重復(fù)率、單脈沖能量及峰值功

6、率隨泵浦功率的變化關(guān)系；利用速率方程的新模型，對(duì)GaAs被動(dòng)調(diào)O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。(§3.1) Ⅴ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Cr<'4+>∶YAG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Cr<'4+>∶YAG被動(dòng)調(diào)O激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程新模型；實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd∶YVO<,4>晶體Cr<'4+>∶YAG被動(dòng)調(diào)Q1.06μm激光運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量了不同Cr<'

7、4+>∶YAG小信號(hào)透過率、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)，利用上述速率方程組對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(§3.2)Ⅵ理論和實(shí)驗(yàn)研究了LD泵浦聲光和Cr<'4+>∶YAG雙調(diào)Q Nd∶GdVO<,4>激光的脈寬壓縮特性，測(cè)量了不同聲光調(diào)制頻率下雙調(diào)Q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

8、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，首次給出了描述聲光和Cr<'4+>∶YAG主被動(dòng)雙調(diào)O激光脈沖輸出性能的速率方程模型，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。(§4.1.1)Ⅶ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)，并與單一聲光或GaAs調(diào)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)

9、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、雙光子吸收過程，給出了描述聲光和GaAs主被動(dòng)雙調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程模型，并對(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。(§4.1.2)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+>∶YAG和GaAs雙被動(dòng)調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)，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、提高脈沖對(duì)稱性，而且輸出的單脈沖

10、能量和峰值功率得到提高；利用Cr<'4+>∶Nd<'3+>∶YAG作為增益介質(zhì)，GaAs作為腔內(nèi)調(diào)Q元件，實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Cr<'4+>∶Nd<'3+>∶YAG晶體GaAs被動(dòng)調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)；在理論分析中，首次在高斯分布近似下的速率方程組中考慮GaAs的自由載流子吸收，給出了描述雙被動(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。(§4.2)Ⅷ分析了準(zhǔn)相位匹配晶體。PPKTP的倍頻理論，給出了高斯分布近似下PPKTP倍頻晶體

11、內(nèi)二次諧波轉(zhuǎn)換引起的非線性損耗，并與普通KTP晶體作了比較。(§5.1)Ⅸ利用三鏡折疊腔實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd∶GdVO<,4>晶體PPKTP腔內(nèi)倍頻連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；與普通KTP相比，PPKTP晶體的倍頻綠光轉(zhuǎn)換效率提高了一倍，同時(shí)，利用準(zhǔn)相位倍頻Ⅵ 理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析。(§5.2) Ⅹ利用三鏡折疊腔實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd：GdVO<,4>/PPKTP內(nèi)腔倍頻聲光主動(dòng)調(diào)Q 0.53μm綠光輸出，對(duì)不同聲光調(diào)制頻率、不同泵浦功率下的脈

12、沖寬度、單脈沖能量和峰值功率進(jìn)行了測(cè)量，并利用準(zhǔn)相位匹配理論和聲光主動(dòng)調(diào)Q速率方程新模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(§5.3)Ⅺ采用三鏡折疊腔實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd:GdVO<,4>/PPKTP內(nèi)腔倍頻Cr<'4+>:YAG被動(dòng)調(diào)Q0.53μm綠光運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量了不同Cr<'4+>:YAG小信號(hào)透過率、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Cr<'4+>:YAG調(diào)Q速率方程新模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模

13、擬。(§5.4)Ⅻ分析了Cr<'4+>:YAG飽和吸收體調(diào)Q鎖模原理，運(yùn)用光強(qiáng)起伏機(jī)制和調(diào)Q速率方程組模型，給出了高斯分布近似下描述Cr<''4+>:YAG飽和吸收體調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程組；在長(zhǎng)約1m的折疊腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Cr<'4+>:Nd<'3+>:YAG/KTP綠光激光器的調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，并利用調(diào)Q鎖模理論分析了其動(dòng)力學(xué)過程。(§6.1)ⅩⅢ利用GaAs作為腔內(nèi)調(diào)Q鎖模元件，在長(zhǎng)約lm的三鏡折疊腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了LD泵浦c-cut

14、Nd：GdVO<,4> 1.06μm及KTP內(nèi)腔倍頻0.53μn激光器的被動(dòng)調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)；考慮GaAs雙光子吸收，給出了高斯分布近似下描述GaAs被動(dòng)調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)的速率方程組，數(shù)值求解所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。(§6.2)論文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作包括： Ⅰ首次考慮聲光開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間對(duì)脈沖特性的影響，并考慮腔內(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，建立了描述LD泵浦聲光主動(dòng)調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程新

15、模型，理論分析結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果； Ⅱ首次考慮激活介質(zhì)的熱效應(yīng)引起腔內(nèi)縱向各位置處光斑半徑的變化對(duì)調(diào)Q激光特性的影響，推導(dǎo)了高斯分布近似下倍頻晶體內(nèi)二次諧波轉(zhuǎn)換引起的非線性轉(zhuǎn)換公式，建立了高斯分布近似下描述LD泵浦主動(dòng)調(diào)Q綠光運(yùn)轉(zhuǎn)特性的速率方程組，為實(shí)現(xiàn)激光器的優(yōu)化提供了有力的理論分析工具。 Ⅲ首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦的聲光-Cr<'4>:YAG主被動(dòng)雙調(diào)Q Nd：GdVO<,4>和聲光-GaAs主被動(dòng)雙調(diào)Q Nd:YVO<,

16、4>以及Cr<'4+>:YAG-GaAs雙被動(dòng)調(diào)Q Nd:YgO<,4>和GaAs被動(dòng)調(diào)QCr<'4+>:Nd3<'3+>:YAG激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)，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，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)算值與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別相符。 Ⅳ首次對(duì)LD泵浦Nd:GdVO<,4>/PPKTP內(nèi)腔準(zhǔn)相位匹配倍頻綠光激光器的連續(xù)、聲光主動(dòng)調(diào)Q及cr<'4+>：YAG被動(dòng)

17、調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究；利用準(zhǔn)相位匹配理論和高斯分布近似下的速率方程模型，對(duì)PPKTP晶體的倍頻特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 V首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Cr<'4+>：Nd<'3+>：YAG/KTP綠光激光器的調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，并給出了高斯分布近似下描述Cr<'4+>：YAG調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)速率方程組，理論結(jié)果模擬再現(xiàn)了調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)過程。 Ⅵ首次給出了高斯分布近似下GaAs飽和吸收體調(diào)Q鎖模的速