單摻Tm3+激光器頻率鎖定技術(shù)的研究.pdf

1、2μm固體激光器具有人眼安全、大氣消光比低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使其成為相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)和差分吸收激光雷達(dá)的首選光源。注入鎖頻技術(shù)在固體激光器中的應(yīng)用，使輸出激光脈沖同時(shí)具備單縱模、窄線寬、高頻率穩(wěn)定度、足夠單脈沖能量和脈沖寬度的特點(diǎn)，滿足相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)對激光光源的要求。注入鎖頻激光器由主激光器、從激光器和注入鎖頻伺服系統(tǒng)三部分組成。本文對單摻 Tm3+注入鎖頻固體激光器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　理論方面，利用Tm3

2、+激光介質(zhì)的能級躍遷結(jié)構(gòu)以及粒子的玻爾茲曼分布，建立了 Tm3+激光器的準(zhǔn)三能級速率方程理論模型，結(jié)合連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)速率方程的求解，討論了摻雜粒子濃度對輸出激光性能的影響，計(jì)算了激光介質(zhì)的最佳長度和摻雜濃度，并在此基礎(chǔ)上求得了最佳諧振腔輸出鏡透過率。同時(shí)模擬了連續(xù)和長脈沖泵浦下激光器的弛豫振蕩頻率，結(jié)果表明 Tm:YAG晶體更適合重復(fù)頻率千赫茲以下的調(diào) Q。結(jié)合脈沖泵浦調(diào) Q速率方程理論模型，討論了從激光器的脈沖建立時(shí)間，輸出脈沖寬度、能量提

3、取效率等問題。通過注入鎖頻的經(jīng)典理論模型分析，對注入場、噪聲場和鎖定帶寬方程進(jìn)行了分析和求解，揭示了注入鎖頻的物理實(shí)質(zhì)。并數(shù)值求解了注入鎖頻的時(shí)間特性，計(jì)算了實(shí)現(xiàn)鎖頻的最小注入功率。討論了注入光強(qiáng)與注入鎖頻激光器的最大頻率失諧量的關(guān)系。分析了注入鎖頻信號提取的影響因素，當(dāng)主、從激光器的橫、縱向模式匹配時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)有效鎖頻信號的提取。
　　實(shí)驗(yàn)方面，首先測量了 Tm:YAG和Tm:LuAG兩種激光介質(zhì)的吸收譜、熒光譜及熒光壽命，對本

4、文實(shí)驗(yàn)研究中激光介質(zhì)和泵浦波長的選擇及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析提供了依據(jù)，同時(shí)為粒子能級躍遷的分析提供了前提。主激光器方面，利用F-P標(biāo)準(zhǔn)具法實(shí)現(xiàn)了主激光器的穩(wěn)定、可調(diào)諧單縱模激光輸出，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，提高了輸出單縱模功率，實(shí)現(xiàn)種子光的線偏振激光輸出。從激光器方面，從增加脈沖寬度、提高單脈沖能量和改善光束質(zhì)量三個(gè)方面，對從激光器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面的研究。討論了脈沖泵浦下激光介質(zhì)的熱效應(yīng)問題，同時(shí)實(shí)驗(yàn)測得了脈沖泵浦下 Tm:YAG

5、的熱焦距，然后利用ABCD環(huán)繞矩陣，優(yōu)化“8”字環(huán)形從激光器的設(shè)計(jì)，使諧振腔可以適應(yīng)更大范圍內(nèi)的熱透鏡焦距變化，保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。從實(shí)驗(yàn)上獲得了單脈沖能量、脈沖寬度、光束質(zhì)量均滿足測風(fēng)雷達(dá)光源需要的Tm:YAG和Tm:LuAG從激光器調(diào) Q激光輸出。在實(shí)驗(yàn)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了主、從激光器之間的橫、縱向模式匹配，完成了有效注入鎖頻信號的提取。最后，進(jìn)行了單摻 Tm3+注入鎖頻激光器的實(shí)驗(yàn)研究。討論了鎖頻激光器輸出特性的變化，測量了激光器的輸出線寬，