人眼安全激光器及超連續(xù)譜研究.pdf

1、波長(zhǎng)在1.4-2.1μm波段的激光該具有較高的水吸收系數(shù)，當(dāng)該波段激光輻射人眼時(shí)，對(duì)人眼的損傷閾值較高，因而該波段激光具有人眼安全特性。人眼安全波段激光在激光雷達(dá)、激光測(cè)距、激光醫(yī)學(xué)、光通訊和泵浦源等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。直接泵浦不同離子摻雜的激光介質(zhì)而獲得人眼安全激光器是目前為止最為簡(jiǎn)潔的方法，如泵浦摻Er激光增益介質(zhì)可以獲得1.5-1.6μm波段的人眼安全激光輸出，同樣1.9-2.1μm人眼安全激光可以通過泵浦摻Ho和Tm的激光增益介

2、質(zhì)得到。另外泵浦摻Nd激光增益介質(zhì)可以得到1.4μm波段人眼安全激光器，前兩者目前已經(jīng)得到廣泛的研究，但是由于受激發(fā)射截面小及離子效率較差等原因，泵浦摻Nd激光增益介質(zhì)而獲得1.4μm波段人眼安全激光僅有少量的報(bào)道。由于固體激光器依靠晶體摻雜離子的能級(jí)躍遷而產(chǎn)生受激輻射，輸出激光波長(zhǎng)受能級(jí)躍遷的限制，因此為滿足人們對(duì)新頻率激光的不斷需求，非線性頻率變換技術(shù)成了獲得新波段激光的有效手段。
　　受激拉曼散射(Stimulated Ra

3、man Scattering，SRS)是一種在現(xiàn)有頻率基礎(chǔ)上拓展新頻率成分激光的的重要方法。新激光的頻率取決于泵浦光的頻率和由拉曼介質(zhì)決定的拉曼頻移，因此通過合理的組合泵浦光波長(zhǎng)和拉曼介質(zhì)頻移，可獲得從紫外到近紅外的拉曼散射。同時(shí)，固體拉曼激光具有體積小、效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。而受到廣泛的關(guān)注。
　　有時(shí)為了滿足很多領(lǐng)域?qū)μ囟す獠ǘ蔚囊?，單一的非線性效應(yīng)很難滿足要求，此時(shí)多種非線性效應(yīng)共同作用而產(chǎn)生新的頻率成分成為一種選擇。

4、超連續(xù)光譜是多種非線性效應(yīng)如自相位調(diào)制(Self phase modulation， SPM)、交叉相位調(diào)制(Cross phase modulation，XPM)、四波混頻(Four wave mixing，F(xiàn)WM)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)等共同作用下而產(chǎn)生包含多種頻率成分的激光。其具有光譜覆蓋范圍廣，輸出功率高、空間相干性強(qiáng)等特性。是目前為止獲取新頻率激光最為有效的手段之一。<

5、br>　　本論文中，主要研究了三個(gè)方面的內(nèi)容:一是LD泵浦不同基質(zhì)的摻Nd激光增益介質(zhì)，獲得1.4μm人眼安全激光研究;二是以1.4μm人眼安全激光為基頻光，使用不同的拉曼介質(zhì)，獲得新波段的人眼安全拉曼激光輸出;三是利用皮秒激光泵浦不同種類的光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究。具體的研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.研究了端面泵浦Nd∶YAG陶瓷1442.8nm人眼安全激光輸出特性。泵浦功率為20.3W時(shí)，最大輸出功率為3.96W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)

6、換效率為19.1％。
　　2.研究了端面泵浦Nd∶GGG1423.4nm人眼安全激光輸出特性。最大輸出功率達(dá)到3.63W，光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別是19.6％和26％。
　　3.以Nd∶KLu(WO4)2做為激光增益介質(zhì)，首次實(shí)現(xiàn)了1425nm人眼安全的激光輸出，最大輸出功率達(dá)到1.57W,此時(shí)泵浦功率為9.6W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為16.4％。
　　4.研究了不同調(diào)Q開關(guān)條件下，Nd∶YAG陶瓷1.4μm被動(dòng)調(diào)Q激光

7、器的輸出特性。利用V3+∶YAG作被動(dòng)調(diào)Q開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了平均功率高達(dá)1.53W的1.4μm激光輸出，這是目前為止最大1.4μm調(diào)Q激光輸出功率;利用Co∶LMA做被動(dòng)調(diào)Q開關(guān)，輸出激光的單脈沖能量為53μJ;用石墨烯做可飽和吸收體時(shí)，實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為610 ns的激光輸出。
　　5.研究了以BaWO4做拉曼介質(zhì)，內(nèi)腔式1.6μm人眼安全拉曼激光器的激光輸出特性。泵浦功率為20.3W、脈沖重復(fù)率為5kHz時(shí)，獲得1666nm人眼安全拉

8、曼激光的最大平均輸出功率為1.21W，對(duì)應(yīng)的從808nm泵浦光到1666nm拉曼光的光光轉(zhuǎn)換效率為6％。其中1.21W是目前為止主動(dòng)調(diào)Q內(nèi)腔1.6μm人眼安全激光器的最大輸出功率。
　　6.研究了以YVO4做拉曼介質(zhì)，內(nèi)腔式1.6μm人眼安全拉曼激光器的激光輸出特性。泵浦功率為19.6W、脈沖重復(fù)率為20kHz時(shí)，獲得1656.4nm人眼安全拉曼激光的最大平均輸出功率為651mW，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為3.3％。
　　7.研究

9、了以SrWO4做拉曼介質(zhì)時(shí)，1664nm拉曼激光器的輸出特性。當(dāng)泵浦功率為27.7W、脈沖重復(fù)頻率為25kHz時(shí)，獲得的最大平均功率為1.16W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為4.2％。最大單脈沖能量和峰值功率分別是46.6μJ和9.3kW。其中9.3kW的峰值功率是主動(dòng)調(diào)Q內(nèi)腔1.6μm人眼安全激光器的最大峰值功率。
　　8.研究了1501nm和1526nm雙波長(zhǎng)人眼安全激光器的輸出特性。以SrWO4做拉曼介質(zhì)，在泵浦功率33.3W、脈沖

10、重復(fù)頻率為30kHz時(shí)，得到了3.36W的拉曼激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10％，其中3.36W是1.5微米人眼安全激光器的最大輸出功率。
　　9.開展了皮秒脈沖激光器泵浦單零色散點(diǎn)光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究。在泵浦功率為12W時(shí)，獲得了2.8W的超連續(xù)譜輸出，光譜帶寬為1250nm(750-2000nm)，超連續(xù)譜的光譜功率密度為2.24mW/nm。
　　10.開展了皮秒脈沖激光器泵浦雙零色散點(diǎn)光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的

11、研究。在泵浦功率為10W時(shí)，輸出超連續(xù)譜功率為1.09W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為10.9％。光譜覆蓋范圍為750-1600nm，長(zhǎng)波范圍(1350-1550nm)的平坦度為12dB。
　　11.開展了皮秒脈沖激光器泵浦級(jí)聯(lián)光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)光譜研究。光譜覆蓋范圍為900-1700nm（帶寬800nm），長(zhǎng)波長(zhǎng)方向在1070-1600nm光譜平坦度為3dB。光譜平坦度6dB的光譜覆蓋范圍是（960-1650nm，帶寬690nm）。

12、這是目前為止最平坦的超連續(xù)譜輸出。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.首次利用Nd∶YAG陶瓷介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了1442.8nm人眼安全激光輸出，最大輸出功率為3.96W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為19.1％。
　　2.首次利用Nd∶GGG晶體實(shí)現(xiàn)了1423.4nm人眼安全激光輸出，最大輸出功率為3.63W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為19.6％，這是目前為止1.4微米人眼安全激光器的最大轉(zhuǎn)換效率。
　　3.首次在Nd∶KLu(W

13、O4)2中獲得了1425nm人眼安全激光輸出。最大輸出功率達(dá)到1.57W,此時(shí)泵浦功率為9.6W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為16.4％。
　　4.首次用石墨烯做飽和吸收體，研究了石墨烯調(diào)Q的1.4微米人眼安全激光器的輸出特性，獲得脈沖寬度為610 ns的激光脈沖。
　　5.首次實(shí)現(xiàn)了內(nèi)腔泵浦的BaWO4人眼安全1666nm拉曼激光運(yùn)轉(zhuǎn)。最大平均輸出功率為1.21W，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為6％。其中1.21W是目前為止主動(dòng)調(diào)Q內(nèi)腔1.

14、6μm人眼安全激光器的最大輸出功率，6％是最大的光光轉(zhuǎn)換效率。
　　6.首次實(shí)現(xiàn)了內(nèi)腔泵浦的YVO4人眼安全1657nm拉曼激光運(yùn)轉(zhuǎn)，泵浦功率為19.6W、脈沖重復(fù)率為20kHz時(shí)，獲得1656.4nm人眼安全拉曼激光的最大平均輸出功率為651mW，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為3.3％。
　　7.首次實(shí)現(xiàn)了內(nèi)腔泵浦的SrWO4人眼安全1664nm拉曼激光運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得最大單脈沖能量和峰值功率分別是46.6μJ和9.3kW。其中9.3kW