高功率2微米單摻Ho-YAG固體激光器研究.pdf

1、2μm激光處于人眼安全波段和大氣的弱吸收帶，因此其在很多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，例如，大氣探測(cè)、自由空間光通信、激光醫(yī)療、激光雷達(dá)和光譜學(xué)等。特別地，脈沖輸出的2μm激光器是中紅外（3~5μm）和遠(yuǎn)紅外（8~12μm）波段的光學(xué)參量振蕩器（OPO）和光學(xué)參量放大器（OPA）的高效泵浦源。中遠(yuǎn)紅外激光在激光雷達(dá)、光電對(duì)抗、激光測(cè)距和紅外制導(dǎo)技術(shù)等方面具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。為了滿足這些軍事、工業(yè)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用的需求，對(duì)高性能2μm激光器的研究是最

2、為關(guān)鍵的一步。近年來，以YAG、YLF和YAP等為摻雜基質(zhì)的單摻Ho激光器獲得了廣泛研究，本文通過對(duì)單摻Ho基質(zhì)激光器的各種技術(shù)途徑研究進(jìn)展的對(duì)比分析，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，得到了利用摻 Tm固體激光泵浦 Ho:YAG激光器研究的必要性。因此，本論文致力于研究高功率連續(xù)及調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)的Ho:YAG激光器，以期為高功率、高效率以及高光束質(zhì)量的2μm激光器的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。
　　對(duì)Ho:YAG晶體的吸收光譜和發(fā)射光譜進(jìn)行分析，明確了Ho

3、3+的較強(qiáng)吸收峰位于1908nm附近，而且其峰值半寬度比較窄。因而為了保證Ho:YAG晶體對(duì)泵浦光有較強(qiáng)的吸收，要求泵浦光的波長比較穩(wěn)定性且輸出線寬比較窄?？紤]能量上轉(zhuǎn)換和基態(tài)損耗，通過 Ho:YAG的能級(jí)躍遷理論和激光產(chǎn)生機(jī)理，建立了雙末端面泵浦連續(xù) Ho:YAG激光器的準(zhǔn)四能級(jí)速率方程模型?？紤]晶體工作溫度對(duì)玻爾茲曼占有因子的影響，利用速率方程模型，數(shù)值分析了基態(tài)損耗、能量上轉(zhuǎn)換、晶體工作溫度、泵浦光斑半徑、輸出鏡透過率、泵浦光光束

4、質(zhì)量和束腰位置以及晶體的摻雜濃度和長度對(duì)激光器輸出特性的影響。建立了脈沖 Ho:YAG激光器的速率方程理論，并利用此方程對(duì)影響輸出激光的單脈沖能量、能量提取效率和脈沖寬度等主要參數(shù)進(jìn)行了理論分析。
　　為了給 Ho:YAG激光器提供泵浦源，利用體光柵和F-P標(biāo)準(zhǔn)具選擇波長并壓窄線寬的技術(shù)，對(duì)發(fā)射峰剛好處于Ho3+的較強(qiáng)吸收峰的Tm:YLF激光器進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究。采用多晶體串聯(lián)技術(shù)并利用板條狀結(jié)構(gòu)的Tm:YLF晶體，提高了Tm:Y

5、LF激光器總的泵浦功率和輸出功率。對(duì)兩種不同形狀的Tm:YLF晶體進(jìn)行熱效應(yīng)分析，并數(shù)值分析了泵浦光斑半徑對(duì)晶體溫度分布和晶體熱透鏡焦距在不同泵浦功率下的影響。在塊狀 Tm:YLF晶體的實(shí)驗(yàn)研究中，獲得的最高平均輸出功率約為60.1W，斜率效率約為35.1％。在板條狀Tm:YLF晶體的實(shí)驗(yàn)研究中，利用不同尺寸的板條晶體對(duì)雙晶體激光器輸出特性的進(jìn)行對(duì)比研究，并對(duì)影響激光器輸出特性的泵浦及諧振腔參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到輸出特性最佳的晶體以及泵

6、浦和諧振腔參數(shù)。在304.5W的泵浦功率下，雙板條晶體Tm:YLF激光器獲得了最高輸出功率約為108.0W，對(duì)應(yīng)的斜率效率和轉(zhuǎn)換效率分別為39.0%和35.5%，輸出光譜的峰值半高寬度小于1nm，從閾值到最高輸出功率，激光輸出波長移動(dòng)了0.3nm，光束質(zhì)量因子小于3。
　　對(duì)單晶體Ho:YAG的諧振腔的穩(wěn)定性和Ho:YAG晶體的熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行了理論分析，并利用穩(wěn)腔條件實(shí)際測(cè)量了不同泵浦功率下 Ho:YAG晶體的熱焦距。理論分析了H

7、o:YAG晶體熱焦距對(duì)諧振腔穩(wěn)定性的影響。以設(shè)計(jì)的Tm:YLF固體激光器為泵浦源，對(duì)3種不同濃度和長度的Ho:YAG晶體的連續(xù)及調(diào)Q輸出特性進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。同樣的泵浦參數(shù)和諧振腔參數(shù)下，摻雜濃度為0.8at.%且長度為45mm的Ho晶體獲得的斜率效率最大，為74.8%，在注入泵浦功率為83.2W時(shí)獲得58.7W的連續(xù)平均輸出功率，在調(diào)Q狀態(tài)下，重復(fù)頻率為20kHz時(shí)得到了2.9mJ的最高單脈沖能量，脈沖寬度約為31ns，對(duì)應(yīng)的峰值功率

8、約為94.7kW。
　　在單晶體Ho:YAG激光器研究的基礎(chǔ)上，以設(shè)計(jì)的Tm:YLF固體激光器為泵浦源，采用多晶體串聯(lián)技術(shù)提高 Ho:YAG激光器的輸出功率。在單末端面雙程泵浦的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)泵浦光采用偏振片配合四分之一波片的方法解決了雙程泵浦的反饋問題，同樣的泵浦條件下，與單程泵浦相比，在斜率效率和轉(zhuǎn)換效率方面，雙程泵浦都分別高出了4.8個(gè)百分點(diǎn)，閾值泵浦功率也比單程低約2.6W。在雙末端面泵浦的實(shí)驗(yàn)中，采用偏振片隔離技術(shù)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)