鈥釩酸鹽2μm激光特性及其泵浦長(zhǎng)波光參量振蕩器的研究.pdf

1、中紅外波段的2μm以及長(zhǎng)波紅外波段的8-10μm固體激光器,由于其波長(zhǎng)處于大氣透明窗口及對(duì)人眼安全,因此在激光光電對(duì)抗、激光遙感、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)及光通信領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。近年來(lái),Tm3+和 Ho3+作為獲得2μm激光輸出的首選稀土離子而獲得了廣泛的研究,其主要的摻雜基質(zhì)有YAP、YAG以及YLF等。與2μm激光不同,目前缺乏能直接產(chǎn)生8-10μm這個(gè)波段激光輸出的固體增益介質(zhì),因此通常采用對(duì)2μm激光進(jìn)行頻率下轉(zhuǎn)換的方式來(lái)獲得長(zhǎng)波

2、紅外激光輸出。本論文以獲得高功率、高光束質(zhì)量的2μm激光和有效的8-10μm激光輸出作為基本出發(fā)點(diǎn),從理論和實(shí)驗(yàn)方面詳細(xì)研究了摻 Ho釩酸鹽(Ho:YVO4/Tm,Ho:YVO4/Tm,Ho:GdVO4)激光增益介質(zhì)的光譜特性和激光特性,然后進(jìn)一步采用2μm釩酸鹽激光器作為泵浦源,對(duì)比研究了ZnGeP2(ZGP)和CdSe光學(xué)參量振蕩器(OPO)在8-10μm波段的激光特性,最終實(shí)現(xiàn)了高功率、較好光束質(zhì)量的8-10μm可調(diào)諧激光輸出。<

3、br>　　首先,為了滿足泵浦常溫Ho:YVO4晶體的需要,從理論和實(shí)驗(yàn)上詳細(xì)研究了a軸(Pbnm)切割的1.94μm Tm:YAP激光器。介紹了Tm:YAP晶體的光譜特性,并根據(jù)光譜從理論上計(jì)算了不同軸向切割的Tm:YAP晶體在諧振腔不同輸出鏡透過(guò)率下的增益系數(shù),進(jìn)而指出對(duì)于a軸切割的Tm:YAP晶體需要采用波長(zhǎng)選擇元件強(qiáng)制1.94μm激光起振的必要性。根據(jù)Tm:YAP晶體1.9μm激光的產(chǎn)生機(jī)理和能級(jí)躍遷機(jī)制,建立了雙端泵浦的單摻Tm

4、3+準(zhǔn)三能級(jí)速率方程模型。在考慮泵浦光導(dǎo)致的晶體內(nèi)溫度分布對(duì)速率方程中激光能級(jí)玻爾茲曼占有因子影響的前提下,通過(guò)對(duì)速率方程的求解,對(duì)Tm:YAP激光器的激光參數(shù)比如晶體長(zhǎng)度、泵浦光聚焦深度及輸出鏡透過(guò)率等進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)上,通過(guò)采用雙Tm:YAP晶體腔內(nèi)串接以及利用體光柵(VBG)和在腔內(nèi)插入F-P標(biāo)準(zhǔn)具共同限制振蕩波長(zhǎng)的方式,最終獲得了20W穩(wěn)定的1.94μm激光輸出,為泵浦Ho:YVO4晶體奠定了基礎(chǔ)。
　　其次,利用設(shè)計(jì)

5、的1.94μm Tm:YAP激光器作為泵浦源,對(duì)常溫Ho:YVO4激光器進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。詳細(xì)測(cè)量了Ho:YVO4晶體的吸收光譜,熒光光譜以及上能級(jí)壽命,并根據(jù)互易法和F-L方程計(jì)算了Ho:YVO4晶體在2μm波段的光譜有效發(fā)射截面,從而為2μm激光運(yùn)轉(zhuǎn)提供了光譜分析基礎(chǔ)。根據(jù)測(cè)量的光譜計(jì)算了Ho:YVO4晶體在激光諧振腔不同輸出鏡透過(guò)率下的增益系數(shù),從理論上分析了不同輸出鏡透過(guò)率下Ho:YVO4晶體可能的振蕩波長(zhǎng)及其波長(zhǎng)

6、偏振。建立了單摻Ho3+的準(zhǔn)二能級(jí)速率方程模型,通過(guò)對(duì)速率方程的求解詳細(xì)討論了Ho:YVO4激光器中的泵浦飽和效應(yīng)、激光正增益所需要的最小粒子數(shù)以及單程、雙程泵浦方式等對(duì)激光輸出功率的影響。實(shí)驗(yàn)上,通過(guò)選擇不同的輸出鏡透過(guò)率或者在諧振腔中插入F-P標(biāo)準(zhǔn)具,從而實(shí)現(xiàn)并首次報(bào)道了常溫下Ho:YVO4晶體熒光譜上不同發(fā)射峰對(duì)應(yīng)的高效的2μm激光輸出。
　　進(jìn)一步研究了液氮制冷下Tm,Ho:YVO4晶體的2μm激光輸出性能,并與Tm,Ho

7、:GdVO4晶體在2μm波段的激光性能進(jìn)行對(duì)比。理論上,建立了雙摻Tm-Ho激光器的速率方程模型,通過(guò)對(duì)速率方程的討論,指出為了獲得高效的2μm激光輸出而對(duì)Tm-Ho雙摻激光晶體采取液氮制冷的重要性。實(shí)驗(yàn)上,詳細(xì)對(duì)比研究了傳統(tǒng)的非鍵合和鍵合Tm,Ho:YVO4晶體的2μm激光輸出性能,通過(guò)采用鍵合晶體最終獲得了高達(dá)23.4W的2.05μm連續(xù)激光輸出,斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率分別為37.3％和35.4%。在調(diào)Q運(yùn)行狀態(tài)下,當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為

8、15kHz、20kHz和25kHz時(shí)分別獲得了19.2W、20.3W和20.5W的平均功率輸出,對(duì)應(yīng)的最小脈沖寬度分別為20ns、22ns和22.9ns。對(duì)Tm,Ho:GdVO4晶體,采用雙晶體腔內(nèi)串接的方式,當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為10kHz時(shí)獲得了最大18W的2.05μm激光輸出,對(duì)應(yīng)的最小脈沖寬度為28ns。
　　最后,采用設(shè)計(jì)的Tm-Ho雙摻釩酸鹽激光器作為泵浦源,對(duì)比研究了ZGP OPO和CdSe OPO的8-10μm激光輸出性

9、能。簡(jiǎn)要介紹了OPO理論,對(duì)比分析了ZGP OPO和CdSe OPO的振蕩閾值,為OPO實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)原則。實(shí)驗(yàn)上詳細(xì)對(duì)比研究了一類和二類相位匹配的ZGP OPO。通過(guò)使用具有一定信號(hào)光透過(guò)率的輸出鏡,提高了單共振OPO晶體端面鍍膜的泵浦損傷閾值。對(duì)一類相位匹配的ZGP OPO,當(dāng)輸出波長(zhǎng)為8.06μm時(shí)獲得了最大1.63W的穩(wěn)定功率輸出,對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為8.9%,斜效率為12.6%,并實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)從7.66μm到9.63μm約2