Tm,Ho激光器及其泵浦8~10μm ZnGeP2光學(xué)參量振蕩器的研究.pdf

1、中紅外8~10μm波段激光在光電對(duì)抗、環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)、激光醫(yī)療和光譜學(xué)研究等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。用2μm激光泵浦ZnGeP2(ZGP)光學(xué)參量振蕩器(OPO)是獲得8~10μm激光的有效手段。并且2μm波段激光也處于大氣窗口，是激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光遙感、激光成像、激光外科手術(shù)等領(lǐng)域的理想光源。LD泵浦的Tm,Ho激光器是獲得2μm激光的有效途徑。因此，本論文研究?jī)?nèi)容具有非常重要的意義。本論文的主要工作是理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì) LD泵浦的Tm

2、,Ho激光器、ZGP OPO及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，獲得了高功率的2μm激光，并用2μm激光泵浦ZGP OPO獲得高平均功率的8~10μm參量激光輸出。
　　在理論方面，主要分析了Tm,Ho激光理論和OPO理論。在Tm,Ho理論方面，以能級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析了Tm,Ho:YAP和Tm,Ho:GdVO4晶體在800nm附近的吸收光譜和在2μm附近的發(fā)射光譜。考慮上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，建立了準(zhǔn)四能級(jí)速率方程，分析了Tm,Ho激光器的抽運(yùn)閾值和斜率效

3、率。從激光場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，分析諧振腔的光子增益和損耗，以及模體積對(duì)增益和損耗的影響。在OPO理論方面，以穩(wěn)態(tài)耦合波方程為基礎(chǔ)，分析了OPO的增益、閾值、以及轉(zhuǎn)換效率，比較了SRO和DRO的閾值和效率，并得出了相位匹配為OPO最佳工作狀態(tài)的結(jié)論。根據(jù)相位匹配，分析了OPO輸出波長(zhǎng)及調(diào)諧技術(shù)，得出獲得特定輸出波長(zhǎng)，晶體的最佳切割角。介紹了ZGP晶體的物化和光學(xué)特性，并計(jì)算出不同泵浦波長(zhǎng)泵浦ZGP OPO的I類和II類相位匹配輸出波長(zhǎng)隨入射

4、角度調(diào)諧的曲線，分析了Tm,Ho:GdVO4激光泵浦ZGP OPO的波長(zhǎng)調(diào)諧特性。
　　在實(shí)驗(yàn)方面，比較研究了Tm,Ho:YAP和Tm,Ho:GdVO4晶體在低溫下的激光性能，設(shè)計(jì)出了Tm,Ho激光器，并用其泵浦ZGP OPO獲得8~10μm激光輸出。研究了諧振腔參數(shù)對(duì)Tm,Ho:YAP和Tm,Ho:GdVO4激光器的輸出功率、轉(zhuǎn)換效率、諧振腔穩(wěn)定性的影響。以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了液氮制冷的高效率、高光束質(zhì)量的LD雙端面泵浦 Tm,H

5、o:YAP和Tm,Ho:GdVO4激光器。其中，c-cut Tm,Ho:YAP激光器在2044nm和2132nm處獲得了連續(xù)和脈沖激光輸出。運(yùn)行在2044nm時(shí)，連續(xù)輸出功率9.30W，光-光轉(zhuǎn)換效率為37％，斜率效率為41%；運(yùn)行在2132nm時(shí)，連續(xù)輸出功率為8.76W，光-光轉(zhuǎn)換效率為35%，斜率效率為42%。低溫運(yùn)行的b-cut Tm,Ho:YAP激光器獲得了2120nm激光輸出，連續(xù)輸出功率為8.36W，光-光轉(zhuǎn)換效率為33%

6、，斜率效率為36%。在實(shí)驗(yàn)上優(yōu)化了2μm激光器的波長(zhǎng)、泵浦光斑大小以及單脈沖能量，降低了8~10μm ZGP OPO的閾值。研究了8~10μm ZGP OPO輸出波長(zhǎng)與泵浦光入射角之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在8~10μm波段最高效率運(yùn)行的波長(zhǎng)為8.08μm，相應(yīng)的晶體切割角為51.4°。ZGP OPO運(yùn)行在8.08μm，研究了影響ZGP OPO輸出功率及轉(zhuǎn)換效率的相關(guān)參數(shù)，得出了最佳泵浦光斑直徑為0.85mm，最佳諧振腔長(zhǎng)32 mm，最佳晶體的溫