紅外激光納米增益材料制備及大功率激光輸出特性研究.pdf

1、激光增益介質(zhì)一般包括固體(例如Nd3+:YAG、Yb3+:YAG)、半導體(例如GaAs、InP)、液體(例如有機染料溶液、摻Nd3+無機液體)、氣體(例如CO2、He-Ne)等。傳統(tǒng)上,這些增益介質(zhì)都是體材料或塊材料。近年來,半導體納米晶體材料(量子點)作為激光增益介質(zhì)得到了人們的極大關注。量子點由于其特殊的量子限域效應、量子尺寸效應等,使得其展現(xiàn)出與普通體材料完全不同的光學、電學特性,例如其發(fā)光譜由連續(xù)譜變?yōu)榉至⒌碾x散譜、發(fā)光波長與

2、其尺寸有關、明顯的斯托克斯頻移,等等,使得其在光電子增益型器件(光放大器、激光器)、太陽能電池、生物醫(yī)學、示蹤劑等方面開拓了極為廣闊的應用前景。
　　 本文主要圍繞先進制造技術中的加工源-激光器開展工作。由于激光加工光源通常為紅外激光器,因此,本文從紅外激光增益介質(zhì)材料制備入手,制備了PbSe量子點玻璃和量子點光纖。提出了新型的波長可調(diào)諧的光纖激光器-PbSe量子點光纖激光器(QDFL),分析了其動力學機理,進行了數(shù)值計算和模擬

3、,得到了量子點光纖激光具有摻雜飽和濃度低、光纖飽和長度短、泵浦效率高等特點,然而,光纖溫升較為明顯。同時,針對目前普遍存在的大功率橫流CO2激光光束質(zhì)量問題展開研究,理論分析了其橫模的形成機理,建立了較為完整的激光能級粒子數(shù)速率方程,進行了數(shù)值計算和模擬,得到了電極結構和氣體流速是影響激光橫模和功率主要因素的結論。主要工作如下:
　　 1.采用ZnSe代替Se作為PbSe量子點的硒源,通過高溫熔融-熱處理法,成功制備了較高濃度的

4、PbSe量子點硅酸鹽玻璃。通過X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、熒光光譜(PL)等方法對PbSe量子點玻璃進行表征。結果表明,制備的PbSe量子點在玻璃中的含量高,且PL峰值強度和FWHM大。同時探索不同熱處理條件對量子點尺寸和熒光發(fā)射的峰值波長、半高寬和輻射強度的影響。
　　 2.采用高溫熔融-熱處理法嘗試制備PbSe量子點碲酸鹽玻璃。通過XRD等方法進行檢測,結果表明,碲酸鹽玻璃中沒有PbSe量子點晶體析出。我

5、們總結分析了實驗結果,并對形成原因做了探討。
　　 3.采用熔融拉絲法,將PbSe量子點硅酸鹽玻璃拉制成量子點光纖。用光學顯微鏡、XRD和TEM等方法對其進行了觀測與分析。結果表明,制備的光纖直徑均勻、表面光滑、直徑與普通光纖接近(125μm)。通過熱處理后,光纖中含有一定量的PbSe量子點,其機械性能與普通的SiO2光纖差不多。
　　 4.利用PbSe量子點作為光纖激光增益介質(zhì),基于PbSe量子點的吸收和發(fā)射譜,建立了

6、二能級系統(tǒng)的粒子數(shù)速率方程、光傳播方程和熱傳導方程,并數(shù)值求解之,探索了不同泵清方式對QDFL輸出功率的影響,分析了QDFL的溫度分布特點,發(fā)現(xiàn)QDFL的溫度遠高于傳統(tǒng)的摻鐿光纖激光器,提出了改善QDFL熱效應的方案。
　　 5.針對大功率橫流CO2激光器管板式電極結構,由麥克斯韋方程給出電場空間分布,據(jù)此求解時空分布的激光能級粒子數(shù)速率方程,得到了激光強度的橫向分布。實驗測量了激光橫模,實驗結果與數(shù)值模擬得到的激光能量分布基本