LD泵浦Nd：YAG透明陶瓷全固態(tài)激光器研究.pdf

1、自激光器誕生以來(lái),人們一直沒(méi)有停止探索新激光介質(zhì)材料的腳步。按照所用的激光介質(zhì)種類分,激光器可分為氣體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器和固體激光器。其中固體激光器由于體積小、效率高、輸出穩(wěn)定、泵浦靈活等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)防、科技、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。一直以來(lái),單晶是固體激光器中應(yīng)用最廣泛的激活介質(zhì),其類型的多樣化決定了激光器的多樣化,大大增加了激光器的設(shè)計(jì)靈活性。目前在高功率固體激光器中,Nd:YAG晶體由于其良好的熱學(xué)、光學(xué)等綜合性能

2、,成為最成熟和應(yīng)用最廣泛的激光介質(zhì),但它也存在發(fā)展瓶頸,比如摻雜濃度低、生長(zhǎng)成本高等；在中小功率固體激光器中,Nd:YVO4晶體由于具有較大的吸收和發(fā)射截面而得到普遍應(yīng)用,但熱效應(yīng)明顯以及光損傷閾值較低的缺陷影響了其在高功率激光器中的應(yīng)用。
　　 近年來(lái),以透明陶瓷作為激光介質(zhì)的固體激光器引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。透明陶瓷作為一種新興材料,具有高熱導(dǎo)率、低電導(dǎo)率、高硬度、耐磨損、耐腐蝕等一系列優(yōu)異的綜合性能。與玻璃相比,陶瓷具有

3、更好的韌性和抗光傷能力；與單晶相比,陶瓷具有更短的生產(chǎn)周期、更高的摻雜濃度和更低的生產(chǎn)成本。衡量透明陶瓷質(zhì)量的參數(shù)主要有:散射率、氣孔體積、晶粒尺寸和晶界寬度等。隨著陶瓷制備工藝的同趨精湛,上述各參數(shù)得到了不斷改進(jìn),出現(xiàn)了一系列優(yōu)秀的透明陶瓷材料,例如:Nd:YAG陶瓷、Yb:YAG陶瓷、Yb:Y2O3陶瓷和Nd:Lu2O3陶瓷等。其中Nd:YAG陶瓷已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分產(chǎn)業(yè)化并且在光譜性能、熒光壽命等方面達(dá)到了與Nd:YAG單晶一致的程度,

4、再加上易于生長(zhǎng)成大尺寸、允許做成高摻雜濃度等特點(diǎn)彌補(bǔ)了Nd:YAG單晶所存在的缺陷,為固體激光器的發(fā)展帶來(lái)了更加廣闊的前景。
　　 本文系統(tǒng)研究了以Nd:YAG透明陶瓷作為激光介質(zhì)的全固態(tài)激光器的連續(xù)、脈沖以及雙波長(zhǎng)的輸出性能,并與某些單晶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,其主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　 1)對(duì)LD泵浦的Nd:YAG陶瓷1.06μm、1.3μm和946 nm連續(xù)激光器進(jìn)行了研究。1.06μm連續(xù)激光實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)泵浦功率為2

5、1.6 w時(shí),獲得了11.3 W的連續(xù)激光輸出,相應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為52.3％和54.4％。在高泵浦功率下并未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,因此繼續(xù)加大泵浦功率有望獲得更高輸出。1338 nm連續(xù)激光實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)泵浦功率為20.5 W時(shí),獲得了1.05 W的連續(xù)激光輸出,相應(yīng)的光.光轉(zhuǎn)換效率為5.1％。由于在1.3μm波段存在1319 nm和1338 nm的模式競(jìng)爭(zhēng),為了得到單一的1338 nm波長(zhǎng)激光輸出,在腔內(nèi)加入了損耗片以抑制1319

6、nm波長(zhǎng)激光,因此轉(zhuǎn)換效率較低。946 nm連續(xù)激光實(shí)驗(yàn)中,分別采用了三塊不同長(zhǎng)度的陶瓷樣品,通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了陶瓷的最佳長(zhǎng)度。利用長(zhǎng)度為5 mm的陶瓷樣品,當(dāng)吸收泵浦功率為10.5 W時(shí),獲得了1.46 W的連續(xù)激光輸出,相應(yīng)的光一光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為13.9％和17.9％。
　　 2)利用KTP和BiBO作為倍頻晶體,對(duì)LD泵浦的Nd:YAG陶瓷連續(xù)倍頻綠光激光器進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),KTP晶體的倍頻性能要優(yōu)

7、于BiBO晶體,當(dāng)利用KTP晶體進(jìn)行倍頻時(shí),泵浦功率為26.4 W時(shí),綠光輸出功率為1.86 W,光.光轉(zhuǎn)換效率為7％。在輸出功率為1 W時(shí)用針孔法對(duì)綠光光斑的一維空間分布進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果顯示符合高斯分布,經(jīng)計(jì)算光束傳輸因子M2約為1.7。這是國(guó)內(nèi)首次利用Nd:YAG陶瓷進(jìn)行的LD端面泵浦高功率連續(xù)波綠光輸出。
　　 3)對(duì)LD泵浦的Nd:YAG陶瓷1.06μm被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光器進(jìn)行了研究。1.06μm脈沖激光實(shí)驗(yàn)中,分別用到了

8、Cr:YAG和GaAs兩種飽和吸收體。Nd:YAG陶瓷/Cr:YAG被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)采用了三塊不同初始透過(guò)率的飽和吸收體,所得到的最大脈沖能量、最短脈沖寬度和最高峰值功率分別為:188μJ、3.16 ns和59.5 kW。Nd:YAG陶瓷/GaAs被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)所得到的最短脈沖寬度、最大單脈沖能量以及最高峰值功率分別為為17 ns、41.6μJ和2.44 kW。通過(guò)與Nd:LuVO4晶體、Yb:NaY(WO4)2晶體被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,突

9、顯了Nd:YAG陶瓷在高功率激光器應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。
　　 4)對(duì)LD泵浦的Nd:YAG陶瓷三種不同的雙波長(zhǎng)激光器進(jìn)行了研究。首次實(shí)現(xiàn)了Nd:YAG陶瓷1052 nm連續(xù)激光輸出,最大輸出功率為6.19 W,相應(yīng)的光.光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為35.8％和39％。以Cr4+:YAG作為飽和吸收體和調(diào)制選頻器件,實(shí)現(xiàn)了1064 nm和1052 nm雙波長(zhǎng)脈沖激光輸出,并從理論上解釋了兩種波長(zhǎng)的產(chǎn)生因?yàn)楹晚樞?其中最短脈沖寬度、最大脈沖能

10、量和最高峰值功率分別為:4.8 ns、103.2μJ和21.5 kW。實(shí)現(xiàn)了1319 nm和1338 nm雙波長(zhǎng)連續(xù)和脈沖激光輸出,并測(cè)量了總輸出功率中1319 nm和1338 nm激光所占比例,最大連續(xù)輸出功率為5.92 W,最大脈沖輸出功率為226 mW,最短脈沖寬度和最高重復(fù)頻率分別為15 ns和133 kHz。利用激光介質(zhì)的高增益特性,直接將其未鍍膜的拋光端面作為輸出耦合鏡,實(shí)現(xiàn)了Nd:YAG陶瓷、Nd:YAG晶體、Nd:YVO

11、4晶體免鍍輸出鏡介質(zhì)膜的1064 nm連續(xù)激光。其中利用陶瓷得到的最大輸出功率達(dá)到1.74W,光-光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為13.0％和19.3％,優(yōu)于相同實(shí)驗(yàn)條件下Nd:YAG晶體和Nd:YVO4晶體的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了1064 nm、1319 nm、1338 nm多波長(zhǎng)連續(xù)激光運(yùn)轉(zhuǎn),最大輸出功率為3.2 W。
　　 通過(guò)以上研究,證明了Nd:YAG陶瓷作為激光工作物質(zhì)的優(yōu)越性,預(yù)示了它在多種固體激光裝置中具有重要應(yīng)用前景。