基于级联耦合腔的固体拉曼激光理论及初步实验研究

发布时间：2020-03-23 22:41

【摘要】：全固态拉曼激光器具有体积小、效率高、寿命长、光束质量好等优点,是丰富和拓展激光频率范围,促进激光医学、生物学及军用激光技术等领域发展的有力途径。论文主要从理论上对多阶次Stokes光的级联振荡及增益竞争进行深入研究,并对一阶Stokes拉曼激光进行初步实验研究。主要研究目的是建立多阶次拉曼激光理论模型,并通过数值模拟分析Stokes光间增益竞争问题,为高效、高功率固体拉曼激光提供理论指导。在理论研究过程中,利用非线性极化理论、三阶非线性方程以及光学耦合波方程,解释了经典理论中受激拉曼散射原理和高阶级联拉曼散射原理,并推导了受激拉曼散射极化率及增益系数。本文还总结并对比了常用固体拉曼频移介质的特性。基于四能级激光速率方程的理论,建立了一阶、二阶、三阶Stokes拉曼激光器以及一阶Stokes倍频拉曼激光器的速率方程。利用Matlab软件数值求解速率方程并模拟了谐振腔内Stokes光建立的动力学过程,分析了激光能量的转移机制,进而从理论上阐述了多阶次及和频拉曼激光增益竞争产生的机理。基于矩阵光学理论,利用Matlab软件设计和优化了谐振腔,模拟计算了级联耦合谐振腔中反射镜不同曲率半径组合下的光斑束腰半径、稳定性因子随腔长的变化以及在腔内不同位置处基频光和拉曼光的光斑大小,获得了针对提高输出光能量的谐振腔优化方案。在实验研究过程中,本文使用880nm的半导体激光器作为声光调Q Nd:YVO_4/YVO_4激光器的泵浦源,通过端面泵浦Nd:YVO_4激光晶体,获得了1064nm的基频光振荡,并利用YVO_4拉曼晶体的受激拉曼散射效应,实现了1176nm的一阶Stokes拉曼光输出。采用三种不同镜子曲率半径组合,研究了泵浦功率和重复频率对平均输出功率以及脉宽的影响。在LD泵浦功率为10.1W以及重复频率为30kHz的条件下,获得了最大平均输出功率为59mW的一阶Stokes拉曼光。当泵浦功率为2.1W,重复频率为10kHz时,泵浦功率阈值达到最小值2.145W。当泵浦功率大于6.98W时,脉冲宽度稳定在6ns左右。
【图文】：

晶体材料中的受激拉曼散射（SRS）为拓宽传统固体激光器的光谱范围提了一种简单有效的方法，可以将光谱的范围拓宽至红外光、可见光、紫外光[2-受激拉曼散射作为一种频移器具有许多吸引人的特性，如光束整形、脉冲压缩不需要相位匹配、转换效率高等，能通过高效的频率转换产生多种波长激光。着受激拉曼散射在固体晶体中的应用越来越多，它已成为一种成熟的非线性光变频技术。二极管泵浦的全固态拉曼激光器是一种可以拓宽固体激光器光谱覆盖范围实用、高效的激光器件。随着固体拉曼激光器相关研究成果报道的不断增多，二极管泵浦的全固态拉曼激光器的研究已经成为当今时代的一股潮流。由于激二极管在体积、重量、性能性等方面地不断优化，其发展非常迅速，成为目前常理想的固体激光器泵浦源，其泵浦的激光器性能优于传统的灯泵固体激光器全固态拉曼激光器不仅具有体积小、性能稳定、寿命较长、转换效率高、稳定好、波长范围广等的优点，而且光束质量很好、重复频率也很高，在信息、医国防、工业和农业等众多领域内应用非常频繁，有着十分广阔的发展前景。因对全固态拉曼激光器的研究很有实用价值和研究意义，在激光器件与激光技术域备受人们青睐。和频、差频、

400nm~600nm 可见光及 1.3μm~1.5μm 近红外激光在光谱学、生物医疗、激光显示、光学存储、大气探测、激光雷达和自由空间光通信等领域有重要应用[4-6]，而传统的固体激光器波长种类非常有限，很难完全覆盖这些波段。因此，通过研究新型固体拉曼激光技术来增加波长覆盖范围，具有十分重要的研究意义。1.2 固体拉曼激光器的研究现状1.2.1 脉冲固体拉曼激光器的研究现状2009 年，山东大学张行愚课题组首次实现了 LD 端面泵浦主动调 Q 的Nd:YVO4/BaWO4内腔式拉曼激光器在 1532nm 处的高效运转，输出光的最大平均功率可以达到 1.5W，从 LD 到 1532nm 光光转换效率为 12.5%[7]。2014 年，山东大学 H.N. Zhang 等人采用最大功率为 50W 的 808 半导体激光器作为泵浦源，首次将 1444 nm 处的激光作为基波波长，研究了二极管泵浦主动调 Q Nd:YAG/BaWO4拉曼激光器，实现了 1666nm 的一阶 Stokes 拉曼光输出，实验装置如图 1-2 所示。最大输出功率为 1.21W，这是 1.6μm 拉曼激光器的最高输出功率，，脉冲能量为 242μJ，峰值功率为 8.96kW[8]。M2
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24

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本文编号：2597373