论文部分内容阅读
2μm波段的激光不仅在大气传输、烟雾穿透和人眼安全等方面性能显著,而且可以被水分子、CO2分子和N2O分子等多种分子所吸收,因此在激光测距、激光外科手术、红外光谱分析以及环境检测等不同领域有着重要的应用价值,而不同应用领域对激光输出性能有不同要求。为了满足激光加工、激光雷达以及光电对抗等领域对高重复频率窄脉冲宽度2μm激光器的迫切需求,必须采用具有较大发射截面,较长能级寿命,热机械性能稳定的激光增益介质。目前,在常温下只有单掺Ho固体激光器能较好的满足这个要求,但增益介质可选范围仍然较小,因此探索新型单掺Ho激光增益介质,为2μm固体激光器提供潜在的、优良的激光光源则具有重要的科学研究及应用价值。鉴于此,本论文开展了新型单掺Ho钒酸盐基质固体激光器输出特性的研究工作,以期能为相关领域的拓展做出一定的贡献。首先,对不同机制2μm激光器的发展状况进行了详细的阐述以及分析,明确了利用Tm激光器带内泵浦单掺Ho激光增益介质获得高性能2μm激光的必要性。通过对单掺Ho钒酸盐激光晶体的光谱特性、晶体内温度场分布和热透镜效应的研究,指出单掺Ho钒酸盐激光晶体在2μm激光输出性能以及热管理方面的优势。通过分析单掺Ho钒酸盐晶体的能级结构,综合考虑上转换和基态损耗的影响,建立了单掺Ho钒酸盐激光器准四能级速率方程模型。通过对速率方程的求解,理论分析了泵浦光、激光晶体以及谐振腔等参数对单掺Ho钒酸盐激光器性能的影响,得出了泵浦光束腰位置、最佳泵浦光与振荡光模式匹配和输出镜透过率的最佳范围,同时指出单掺Ho钒酸盐晶体是非常优良的2μm激光晶体。利用1.94μm Tm光纤激光器作为泵浦源,对单掺Ho钒酸盐激光器连续波输出特性进行了理论分析及实验研究,结合对钒酸盐晶体热透镜效应的分析,进行了谐振腔的设计以及稳定性分析。实验上,在吸收泵浦功率34W时,Ho:YVO4激光器的最大输出功率为12.3W,斜率效率为44.5%。在吸收泵浦功率为34.3W时,Ho:Gd VO4激光器获得了11.2W的连续功率输出,斜率效率为40.1%。接下来对单掺Ho钒酸盐主动声光调Q激光器进行了理论分析以及实验研究。根据调Q技术原理,建立了主动调Q的速率方程。利用速率方程理论分析了提高脉冲能量、脉冲峰值功率以及压缩脉冲宽度的可行方法。实验上,在重复频率为10k Hz,吸收泵浦功率34.2W时,Ho:YVO4激光器获得了平均功率为11.4W的2052nm激光输出,对应的斜率效率为41.2%,最小脉冲宽度约为19.3ns,而Ho:Gd VO4激光器则获得平均功率为10.2W的2048nm激光输出,对应的斜率效率为37.3%,最小脉冲宽度约为5.8ns。这两种单掺Ho钒酸盐激光器均获得接近衍射极限的光束质量,均为TEM00模激光输出。最后,对单掺Ho钒酸盐被动调Q激光器进行了理论分析以及实验研究。在理论上,研究了Cr2+:Zn S晶体的特性,明确了作为2μm被动调Q固体激光器可饱和吸收体的优势,建立了被动调Q运转激光器的速率方程模型,模拟了Ho:YVO4激光晶体的反转粒子数、可饱和吸收体的基态粒子数以及谐振腔内光子数随时间和空间的动态演化过程。实验上,Ho:YVO4激光器在腔长为120mm时,获得了平均功率为8.1W的2053.2nm激光输出,对应的斜率效率为32.7%,最小脉冲宽度为161.6ns,最高重复频率为114.6k Hz。Ho:Gd VO4激光器在腔长为110mm时,获得了平均功率为8.4W的2049.1nm激光输出,对应的斜率效率为31.1%,最小脉冲宽度为43.2ns,最高重复频率为111.2k Hz。