高重頻Ho-YAG激光器及其泵浦源Tm-YLF激光器的研究.pdf

1、自從20世紀(jì)60年代少數(shù)研究者對(duì)摻Ho激光器進(jìn)行介紹之后,Ho3+離子因其特殊的光譜特性,如長(zhǎng)的激光上能級(jí)壽命、可以獲得人眼安全和大氣高透過率的2.1μm激光等,使它成為產(chǎn)生激光的重要離子。2.1μm激光在醫(yī)學(xué)、軍事、機(jī)械加工和遙感等方面均有重要的應(yīng)用,特別地,2.1μm激光可通過泵浦非線性晶體有效獲得光電對(duì)抗源中紅外3-5μm激光和遠(yuǎn)紅外8-12μm激光。為獲得高功率高重頻中紅外3～5μm激光,本文對(duì)2.1μm Ho:YAG激光器及其

2、泵浦源Tm:YLF激光器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　理論方面,分析了單摻Tm3+激光和單摻Ho3+激光的能級(jí)躍遷機(jī)制和發(fā)光機(jī)理,建立了單摻Tm3+激光和單摻 Ho3+激光速率方程理論模型,并依據(jù)速率方程模型分析了各種參數(shù)對(duì)Tm:YLF激光器和Ho:YAG激光器輸出特性的影響。分析了影響固體激光器弛豫振蕩頻率和弛豫振蕩幅度的各種理論因素,為有效解決Tm:YLF激光器的弛豫振蕩問題奠定了理論基礎(chǔ),為Tm:YLF激光器弛豫振蕩問題的

3、實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論指導(dǎo)。分析了Tm:YLF晶體和Ho:YAG晶體的溫度場(chǎng)和理論熱焦距長(zhǎng)度,為實(shí)現(xiàn)Tm:YLF激光器和Ho:YAG激光器的諧振腔優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了必要的參數(shù)。分析了Tm:YLF晶體的熱致?lián)p傷閾值問題,為獲得Tm:YLF激光器可承受的最大泵浦功率值提供了理論參考。
　　實(shí)驗(yàn)方面,對(duì)Tm:YLF和Ho:YAG晶體的熱透鏡焦距以及Tm:YLF晶體的熱致?lián)p傷閾值進(jìn)行了測(cè)量,為Tm:YLF和Ho:YAG激光器諧振腔的設(shè)計(jì)以及

4、Tm:YLF晶體最大可承受泵浦功率提供了參考數(shù)據(jù)。測(cè)試了輸出鏡透過率、泵浦-激光模式比率對(duì)Tm:YLF激光器功率特性的影響,并依據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析進(jìn)行了高效率腔內(nèi)雙晶體和高功率、高光束質(zhì)量腔內(nèi)三晶體Tm:YLF激光實(shí)驗(yàn),腔內(nèi)雙晶體Tm:YLF激光器的斜率效率達(dá)到49.4％。在Tm:YLF弛豫振蕩實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試了泵浦功率、腔長(zhǎng)和輸出鏡反射率對(duì)弛豫振蕩頻率的影響,測(cè)試了泵浦功率和泵浦-激光模式比對(duì)弛豫振蕩幅度的影響,通過對(duì)Tm:YLF弛豫振蕩

5、問題的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了高效率高功率Tm:YLF激光器功率信號(hào)的平滑無(wú)尖峰輸出,排除了Ho:YAG激光器高重頻幾十千赫茲工作時(shí)的障礙。根據(jù)對(duì)腔內(nèi)單晶體和腔內(nèi)雙晶體Ho:YAG激光器諧振腔參數(shù)的理論分析進(jìn)行了高功率Ho:YAG激光器實(shí)驗(yàn)研究工作,利用兩種結(jié)構(gòu)的激光諧振腔均獲得了平均功率大于40W的2.1μm激光,轉(zhuǎn)換效率均約為50%,證明了百瓦級(jí)腔內(nèi)雙晶體Ho:YAG激光器的可行性。通過對(duì)鍵合和非鍵合Ho:YAG晶體的實(shí)驗(yàn)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)鍵合Ho

6、:YAG晶體的轉(zhuǎn)換效率略高于非鍵合晶體,實(shí)驗(yàn)上證明了鍵合Ho:YAG晶體在高功率泵浦時(shí)的優(yōu)勢(shì)。最后,利用腔內(nèi)單晶體Ho:YAG激光器進(jìn)行了ZGP OPO的泵浦實(shí)驗(yàn),OPO的斜率效率達(dá)到51.6%,光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到42.1%,利用刀口法測(cè)得3-5μm激光10W時(shí)的光束質(zhì)量因子M2為4.2,利用HgCdTe探測(cè)器測(cè)得16.0W時(shí)3-5μm激光脈沖寬度為18.5ns,考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與國(guó)際先進(jìn)水平的差距,提出了改善中紅外ZGP OPO效率和光