Nd：YLF晶體特性及全固態(tài)激光器研究.pdf

1、激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器因具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、光束質(zhì)量好等優(yōu)點,在材料加工、軍事、醫(yī)療和科研等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,成為目前激光領(lǐng)域的研究熱點.激光晶體增益介質(zhì)是激光器的核心部件,它的光譜和物理特性決定了激光器系統(tǒng)的整體設(shè)計和輸出特性.在眾多激光晶體中,摻釹離子的氟化釔鋰(Nd:YiLF<,4>,Nd:YLF)晶體因其特有的激光特性而贏得了重要的地位.它優(yōu)良的激光特性主要表現(xiàn)在:(1)1.053μm的激光波長與磷酸玻璃和氟磷

2、酸玻璃的增益峰值非常匹配,使它在巨大能量(功率)玻璃放大鏈主振蕩功率放大(MOPA)、預(yù)放和一級放大中得以充分應(yīng)用:(2)480μs的上能級壽命使它的儲能性分別高出Nd:YAG和Nd:YVO<,4>兩倍和五倍,同時它的發(fā)射截面與上能級壽命乘積因子與Nd:YAG相當(dāng),可廣泛用于低閾值的全固態(tài)微片激光器;(3)具有很好的偏振特性,它的自然雙折射遠(yuǎn)大于熱致雙折射,抑制了熱退偏效應(yīng),在大功率泵浦情況下可獲得穩(wěn)定輸出.綜合Nd:YLF晶體弱的熱透

3、鏡效用、大的增益線寬、強的自然偏振振蕩和很高的儲能性等特性,到目前為止,它已廣泛地應(yīng)用于MOPA、高能量脈沖、中等重復(fù)頻率(kHz)的調(diào)Q開關(guān)、連續(xù)波以及皮秒鎖模等各種激光器件中,發(fā)揮著其它晶體無法取代的重要作用.由于晶體生長等方面的原因,相對于較為普遍的Nd:YVO<,4>和Nd:YAG晶體來說,國內(nèi)關(guān)于Nd:YLF晶體的激光特性研究開展得很少.本論文從研究Nd:YLF晶體特性入手,較系統(tǒng)的進(jìn)行了全固態(tài)Nd:YLF激光特性的理論和實驗

4、研究.主要內(nèi)容概括為: 1、測量了Nd:YLF晶體的發(fā)射譜、吸收譜和拉曼譜,討論了晶體的發(fā)射譜線、熒光分支比、上能級壽命、拉曼譜線等光譜參數(shù),總結(jié)了晶體的物理和光學(xué)特性;根據(jù)激光器的近閾值條件,給出了一種測量晶體內(nèi)部損耗系數(shù)的方法,并用該方法測量了Nd:YLF晶體的內(nèi)部損耗系數(shù). 2、用熱彈性理論推導(dǎo)出晶體熱應(yīng)力與端面泵浦功率、泵浦光斑、晶體摻雜濃度、吸收系數(shù)之間的關(guān)系式,以及輸出功率與輸出鏡透過率、泵浦光斑、晶體摻雜濃

5、度和吸收系數(shù)之間的關(guān)系式,并對這些物理量之間的變化規(guī)律進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析.這一理論研究結(jié)果未見國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)報道,該結(jié)果對端面泵浦激光器的設(shè)計、預(yù)測實驗結(jié)果和避免晶體斷裂提供了理論依據(jù). 3、理論和實驗研究了Nd:YLF的連續(xù)波運轉(zhuǎn)激光特性,包括1053nm、1047nm、1313nm、1321nm激光振蕩特性.實現(xiàn)了5.3w連續(xù)波1053nm激光運轉(zhuǎn),在理論上對實驗結(jié)果進(jìn)行了模擬,給出了3001μm端面泵浦光斑、5﹪透過率、1

6、.0at.﹪-Nd:YLF晶體最大泵浦功率的參考值. 4、實驗研究了Nd:YLF聲光調(diào)Q激光特性,在泵浦源和腔型設(shè)計完全相同的條件下,比較了Nd:YLF和Nd:YVO<,4>聲光調(diào)Q激光的輸出特性.同時還研究了聲光調(diào)Q腔內(nèi)和腔外KTP倍頻Nd:YLF綠光特性,測量了不同泵浦功率下的輸出功率、脈寬,計算了光束質(zhì)量因子M<'2>和功率穩(wěn)定度. 5、實驗研究了Nd:YLF的雙波長激光輸出,證明了Nd:YLF晶體可以實現(xiàn)雙波長激

7、光. 6、實驗研究了'Nd:YLF的Cr<'4+>:YAG被動調(diào)Q激光特性,在泵浦源和腔型設(shè)計完全相同的條件下,比較了Nd:YLF、Nd:YVO<,4>、Nd:GdVO<,4>三種晶體的被動調(diào)Q輸出特性,并對Cr<'4+>:YAG被動調(diào)Q和調(diào)Q鎖模(QML)Nd:YLF激光進(jìn)行了理論和實驗研究,對不同小信號透過率的Cr<'4+>:YAG,在不同泵浦功率下的輸出功率、脈寬、脈沖能量、峰值功率、鎖模調(diào)制深度進(jìn)行了測量;理論上,考慮C

8、r<'4+>:YAG的激發(fā)態(tài)吸收,對調(diào)Q鎖模波形進(jìn)行了模擬,分析了影響Cr<'4+>:YAG鎖模調(diào)制深度的關(guān)鍵參數(shù),模擬了100﹪調(diào)制深度的調(diào)Q鎖模脈沖波形. 7、采用三鏡腔結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了深度調(diào)制的調(diào)Q鎖模Nd:YLF/GaAs激光運轉(zhuǎn),GaAs同時作為可飽和吸收體和輸出鏡,對不同泵浦功率下的輸出功率、重復(fù)頻率、鎖模脈沖的自相關(guān)函數(shù)和激光線寬進(jìn)行了測量,用Seeh<'2>函數(shù)對自相關(guān)信號進(jìn)行了模擬,分析了Nd:YLF晶體的上能級壽

9、命、受激發(fā)射截面、熒光線寬對調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)的影響,給出了優(yōu)化調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)的方法. 8、首次用低溫生長的透射式SESAM,實現(xiàn)了3皮秒脈寬的Nd:YLF連續(xù)鎖模激光運轉(zhuǎn),重復(fù)頻率98MHz,平均功率530mW;分別用透射式和反射式SESAM比較了Nd:YLF激光特性,測量了激光閾值、連續(xù)鎖模閾值、激光譜寬、鎖模脈寬.用SESAM鎖模理論,分析了Nd:YLF晶體上能級壽命、受激發(fā)射截面、熒光線寬對實現(xiàn)連續(xù)波鎖模運轉(zhuǎn)的影響. 9