高重頻高峰值功率摻Nd3+倍頻藍光激光器的研究.pdf

1、激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器(DPSSL)具有高效率、高亮度、易于小型化的優(yōu)點，成為近年來激光研究領(lǐng)域的一個熱點。對于激光二極管(LD)端面泵浦的高重復(fù)頻率、高峰值功率摻 Nd3+激光器，所屬四能級激光系統(tǒng)的1.06μm脈沖激光器及其倍頻綠光激光器已被廣泛研究，其性能可滿足激光雷達、光電對抗和激光加工等多個行業(yè)的需求；但作為準三能級激光系統(tǒng)的0.9μm激光器及其倍頻藍光激光器，受眾多因素的制約，發(fā)展較為緩慢，而全固態(tài)藍光激光器具有廣闊的

2、應(yīng)用前景，尤其是脈沖藍光激光在激光水下通信和探測等領(lǐng)域有著特殊的用途。鑒于此，本文致力于高重頻高峰值功率藍光激光器的研究，以期能為脈沖藍光激光器的發(fā)展和應(yīng)用做出一定的貢獻。
　　本論文首先對全固態(tài)藍光激光器的發(fā)展狀況做了系統(tǒng)的介紹和分析，明確了其中存在的問題和實現(xiàn)高重頻高峰值功率藍光激光輸出的努力方向，針對摻Nd3+準三能級激光器及其倍頻藍光激光的發(fā)展狀況做了較為詳細的介紹。對于新型的Nd:GdVO4激光介質(zhì)，采用有限元分析法和干

3、涉條紋法，理論模擬和實驗測量了 LD端面泵浦下激光介質(zhì)的端面熱形變，確定了 Nd:GdVO4的楊氏模量和泊松比分別為E=135GPa和ν=0.35。針對摻Nd3+準三能級激光器所受的嚴重熱效應(yīng)，實驗測得了不同泵浦功率下912nm Nd:GdVO4連續(xù)激光器的熱透鏡焦距，推導(dǎo)出了912nm連續(xù)激光器的熱負載比約為ξ=0.36，并驗證了取值的合理性。此外，分析了 LD端面泵浦 Nd:GdVO4激光器激光介質(zhì)的熱炸裂極限，為后續(xù)激光器的設(shè)計提

4、供了理論依據(jù)。
　　室溫下運轉(zhuǎn)的摻Nd3+準三能級激光系統(tǒng)，激光下能級存在著較多粒子數(shù)布居，由此而引起的再吸收效應(yīng)影響著激光器的輸出性能。根據(jù)激光速率方程理論，建立了包含再吸收效應(yīng)的摻Nd3+準三能級連續(xù)激光器理論模型，分析了再吸收效應(yīng)對激光閾值功率、輸出斜效率和功率的影響，并對激光介質(zhì)的摻雜濃度和長度、泵浦光及振蕩光的空間分布以及輸出鏡的透過率等參量進行了最佳化設(shè)計。經(jīng)實驗的優(yōu)化，實現(xiàn)了高功率摻Nd3+準三能級連續(xù)激光輸出，分別

5、獲得了最高連續(xù)功率為16.2W的912nm激光、15.5W的914nm激光和17.2W的946nm激光輸出。為衡量摻Nd3+激光介質(zhì)準三能級激光運轉(zhuǎn)下的再吸收效應(yīng)強弱，通過實驗與理論計算結(jié)果對比，估算出912nm Nd:GdVO4、914nm Nd:YVO4和946nm Nd:YAG連續(xù)激光器的再吸收截面σr分別約為(1.0±0.5)×10-20cm2、(0.5±0.5)×10-20cm2和(0.5±0.5)×10-20cm2。為改善L

6、D端面泵浦固體激光器的散熱條件，提高摻Nd3+準三能級激光輸出性能，設(shè)計并應(yīng)用了高效的微通道散熱器，并探索了銦封技術(shù)。
　　為獲得高重頻、窄脈寬、高峰值功率的摻Nd3+準三能級脈沖激光輸出，從調(diào) Q理論出發(fā)，建立了高重頻聲光調(diào) Q激光器的理論模型，分析了聲光調(diào) Q912nm Nd:GdVO4激光器主要性能與注入泵浦功率和重頻的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，實驗研究了高重頻聲光調(diào)Q摻Nd3+準三能級脈沖激光輸出性能，10kHz運轉(zhuǎn)重頻下，獲得了

7、最高峰值功率為9.13kW、6.25kW和12.0kW的912nm、914nm、946nm激光輸出，對應(yīng)的脈寬和峰值功率分別為25.2ns、33.6ns、24.4ns。為補償摻Nd3+準三能級脈沖激光器更為嚴重的熱透鏡效應(yīng)，提高輸出激光的性能，設(shè)計了凸-平非穩(wěn)腔熱補償技術(shù)并應(yīng)用于946nm Nd:YAG脈沖激光的實驗研究，10kHz重頻下獲得了最高峰值功率為31.5kW的946nm激光輸出，對應(yīng)的脈寬為13.7ns，且激光光束質(zhì)量也得到

8、了顯著地改善。最后，理論模擬了Cr4+:YAG被動調(diào)Q脈沖激光器的輸出性能，分析了影響其激光性能的主要因素，并開展了被動調(diào)Q912nm脈沖激光實驗研究。
　　為獲得高重頻高峰值功率脈沖藍光激光輸出，采用熱不靈敏V型腔結(jié)構(gòu)，實驗研究了腔內(nèi)倍頻聲光調(diào)Q脈沖藍光激光的輸出性能。重頻10kHz時，獲得了最高峰值功率為3.51kW、2.25kW和4.0kW的456nm、457nm、473nm脈沖藍光激光輸出，對應(yīng)的脈寬分別為37ns、37.

9、4ns、33.1ns。相同V型腔結(jié)構(gòu)下，實驗研究了腔內(nèi)倍頻Cr4+:YAG被動調(diào)Q456nm脈沖激光性能。為壓縮輸出激光脈寬，進一步提高藍光激光峰值功率，采用腔外倍頻聲光調(diào)Q摻Nd3+準三能級激光的方法，結(jié)合非穩(wěn)腔熱補償技術(shù)和高效倍頻技術(shù)的應(yīng)用，獲得了高重頻高峰值功率藍光激光輸出。重頻10kHz下，456nm和473nm脈沖藍光激光的最高峰值功率為2.3kW和16.7kW，對應(yīng)的脈寬分別為21.3ns和9ns，最高運轉(zhuǎn)重頻分別可達到10