摻銩、鈥2μm波段固體激光研究.pdf

1、2μm波段激光與許多氣態(tài)污染物的特征吸收光譜相對(duì)應(yīng)，并可以被水分子及其他生物組織強(qiáng)烈吸收，在醫(yī)療、大氣監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)、分子光譜和科學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。此外，2μm波段激光可以泵浦ZnGeP等非線性晶體的光學(xué)參量振蕩器和放大器，產(chǎn)生中、遠(yuǎn)紅外激光。鑒于2μm波段激光的廣泛應(yīng)用，2μm波段新型固體激光的研究一直是科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。利用半導(dǎo)體激光或光纖激光泵浦摻Tm3+、Ho3+等稀土離子的晶體產(chǎn)生激射，目前仍然是直接獲得2μm波段激

2、光的最有效的技術(shù)途徑。研究方向包括2μm波段新型激光晶體、透明陶瓷等增益介質(zhì)的探索;2μm波段新型器件的研制;提升2μm波段激光功率、效率的激光技術(shù);及各種脈沖激光、單頻激光以及可調(diào)諧激光的研究等。本論文結(jié)合新型的激光調(diào)制元件，對(duì)幾種摻Tm3+、摻Ho3+塊狀晶體和陶瓷材料在2μm波段的連續(xù)波激光、調(diào)Q激光以及鎖模激光特性進(jìn)行了研究。
　　論文內(nèi)容如下:
　　1.簡(jiǎn)要介紹了主被動(dòng)調(diào)Q的基本原理，分析了2μm波段二維聲光調(diào)制器

3、、鈮酸鋰(LN)電光調(diào)制器以及可飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q的工作特點(diǎn);給出了鎖模脈沖的產(chǎn)生機(jī)理以及半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)被動(dòng)鎖模的動(dòng)力學(xué)過程，理論上分析了穩(wěn)定鎖模的實(shí)現(xiàn)條件以及抑制調(diào)Q鎖模狀態(tài)的方法;分析了2μm波段可調(diào)諧激光的基本原理以及石英雙折射濾波片的工作機(jī)理。
　　2.采用Tm∶YAP晶體為激光增益介質(zhì)，研究了新型的2μm波段激光調(diào)制器件。在分析黑磷二維納米材料的能帶特性和可飽和吸收特性的基礎(chǔ)上，制備了該材料的可飽和吸收

4、鏡，并應(yīng)用于被動(dòng)調(diào)Q Tm∶YAP激光器，獲得了脈沖寬度181ns，平均功率3.1W的脈沖激光輸出，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為39.5μJ，脈沖重復(fù)頻率為81 kHz.據(jù)我們所知，這是已知黑磷二維納米材料被動(dòng)調(diào)Q激光器的最大單脈沖能量，展現(xiàn)了該材料作為可飽和吸收體在獲取2μm高能量脈沖激光方面的應(yīng)用潛力。采用鈮酸鋰電光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了2μm波段Tm∶YAP主動(dòng)調(diào)Q激光輸出，在25Hz低重復(fù)頻率下，脈沖寬度為78.4ns，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為2.52

5、mJ.采用SESAM鎖模元件，實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度1.7ps的鎖模激光輸出。設(shè)計(jì)了2μm波段調(diào)諧激光器，采用雙折射石英晶體作為調(diào)諧元件，實(shí)現(xiàn)了從1887.1nm到2080.8nm的寬調(diào)諧連續(xù)激光輸出。
　　3.采用新型Tm∶BaYF晶體為激光增益介質(zhì)，研究了低聲子氟化物晶體的激光特性，分別實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波、調(diào)Q和鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)。基于Tm∶BaYF晶體的寬帶熒光光譜特性，實(shí)現(xiàn)了Tm∶BaYF連續(xù)波從1843.8nm到1997.1nm波長(zhǎng)范圍的可

6、調(diào)諧激光輸出。采用二維聲光調(diào)制器，研究了Tm∶BaYF主動(dòng)調(diào)Q激光特性，在最高泵浦功率3.8w，重復(fù)頻率500Hz時(shí)，獲得了305ns的最短脈沖，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為1.3mJ.通過分析鎖模動(dòng)力學(xué)過程，優(yōu)化設(shè)計(jì)激光諧振腔，采用SESAM鎖模元件，實(shí)現(xiàn)了Tm∶BaYF三波長(zhǎng)同步鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得了27.5ps的鎖模脈沖。
　　4.研究了新型Tm∶LuGGG無序結(jié)構(gòu)晶體的激光特性，分析了不同離子摻雜濃度對(duì)連續(xù)激光輸出特性的影響;研究其2

7、μ波段寬調(diào)諧特性，實(shí)現(xiàn)了1907.5nm到2055.9nm的可調(diào)諧激光輸出;基于石墨烯的可飽和吸收鏡，研究了該無序結(jié)構(gòu)晶體被動(dòng)調(diào)Q激光特性，脈沖寬度為1.29μs;采用SESAM鎖模元件，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定連續(xù)波被動(dòng)鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)。研究結(jié)果表明，無序結(jié)構(gòu)Tm∶LuGGG既有石榴石結(jié)構(gòu)晶體良好的熱機(jī)械性能，又具有非均勻加寬光譜，有利于獲得短脈沖激光輸出。
　　5.基于Ho∶YAG透明陶瓷，研究腔內(nèi)泵浦摻Ho3+激光增益介質(zhì)的方法和途徑。諧振腔

8、內(nèi)同時(shí)放置Tm∶BaYF晶體和Ho∶YAG透明陶瓷，設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了2μm波段高光束質(zhì)量連續(xù)激光輸出，對(duì)輸出激光的光譜特性、輸出功率等進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，相比采用Tm3+離子敏化Ho3+離子獲得激光躍遷的方法，腔內(nèi)泵浦摻Ho3+激光增益介質(zhì)的方法可以發(fā)揮LD和帶內(nèi)泵浦兩方面的優(yōu)勢(shì)，有利于室溫下獲得高效率的激光輸出。
　　6.對(duì)微下拉法生長(zhǎng)的Ho∶YLF晶體光纖的光譜特性進(jìn)行了表征，分析了晶體光纖作為激光增益介質(zhì)的