Nd：LuYAG混晶激光特性的理论和实验研究

发布时间：2020-04-03 01:07

【摘要】：三价钕离子(Nd3+)在近红外波段存在丰富的能级跃迁,利用808 nm泵浦可以实现0.9、1.06、1.1、1.3和1.4微米等不同近红外波段激光。这些近红外波段的激光在医疗、工业、光通信、国防、军事等领域有着广泛的应用,为这个世界带来了极大的方便。钕离子激光材料丰富多样,除了传统的以Nd:YAG为代表的单晶材料外,近.些年针对混合晶体激光材料和激光器的研究呈现蓬勃的发展趋势,诸多混晶材料被开发出来,Nd:LuYAG晶体就是混晶材料的重要代表。Nd:LuYAG混晶具有和Nd:YAG单晶一样优异的热光特性和机械性能,这有利于获得高功率激光输出;Nd:LuYAG混晶还具有和Nd:YAG单晶同样优异的光谱特性,表现为较强的吸收和发射光谱,以及明显的多峰结构,这有利于获得高的功率输出,有利于获得多波长激光;混合晶体往往具有比单晶更宽的吸收和发射光谱,因此有望通过锁模技术在Nd:LuYAG混晶中获得更短的激光脉冲。本文以Nd:LuYAG混晶为激光增益介质,以808nm半导体激光器为泵浦源,构造了典型的双镜线性谐振腔。通过优化运转,首先实现了 Nd:LuYAG混晶在0.9和1.4 μm波段连续波激光输出。在自由运转情况下,分别获得了 946 nm单一波长和1442 nm、1432 nm、1415.7nm三波长激光,对应的最大输出激光功率、斜效率和光—光转换效率分别为(5.64 W,52.5%,42.2%)和(1.71 W,17.1%,,13.3%)。通过在激光腔内插入薄片,获得了 939nm和946nm双波长输出,939 nm单一波长输出,以及1442 nm、1432 nm和1415.7 nm各单一波长激光输出,对应的最大输出功率和斜效率分别为(3.61 W,34.8%),(2.0 W,26.4%),(1.26 W,13%),(0.36 W,4.2%)和(1.1 W,19.3%)。利用初始透过率为95%的Cr4+:YAG晶体作为可饱和吸收体,本文进一步实现了 Nd:LuYAG混晶在946 nm波长的调Q脉冲激光输出,相应的最大平均输出功率、最窄脉冲宽度、最大脉冲重复频率、单脉冲能量和最大峰值功率分别为0.68 W,8.4 ns,12.3 kHz,55.3 μJ 和 6.15 kW。利用初始透过率为 95%的 V3+:YAG晶体作为可饱和吸收体,本文也实现了Nd:LuYAG混晶在1442 nm的调Q脉冲激光输出,相应的上述脉冲激光参数值分别为0.43 W,0.13μs,23.8 kHz,18.1μJ和 139.2 W。在上述实验研究的同时,本文还开展了有针对性的理论研究。首先,建立了调Q速率方程,对可饱和吸收体被动调Q运转过程进行了详细的理论分析,模拟了调Q激光的输出特性曲线,并用数值计算了不同泵浦功率下的脉冲宽度和重复频率,模拟出脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化曲线,并将实验结果与模拟结果进行对比分析。其次,热效应是制约高功率激光产生的主要限制因素,因此本文最后还分析了 Nd:LuYAG混晶的热透镜效应,利用热分布模型,对Nd:LuYAG混晶的热效应进行了仿真。
【图文】：

通常需要电荷补偿，如加入Ｃａ２＋或Ｍｇ２＋离子。晶体中的Ｃｒ＾离子可以通过退火逡逑来改变物质价态，即与氧原子形成Ｃｒ４＋离子，退火前后ＣｎＹＡＧ晶体的颜色也由逡逑原来的深绿色变为深棕色，如图１．２显示了邋Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶体退火前后的颜色对比。逡逑图１．２邋Ｃｒ：邋ＹＡＧ晶体退火前后颜色对比逡逑Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶体作为调Ｑ开关实现脉冲运转至今已经有近三十年。从１９８８逡逑年，人们从发现Ｃｒ４＋在０．９－１．２邋ｐｍ波长范围具有可饱和吸收特性后就开始将其作逡逑为调Ｑ元件。Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶体在不同波段的基态吸收截面和激发态截面各不相同，逡逑在０．９邋ｎｍ和１．０６邋ｐｍ处，基态吸收截面和激发态吸收截面分别为（８．７邋ｘ逡逑１０一邋１９ｃｍ２，２＿２ｘｌ０＿１９ｃｍ２）和（５．７邋ｘｌ０＿１８ｃｍ２，，８邋ｘｌ０＿１９ｃｍ２）。而钕离子逡逑掺杂的晶体的基态吸收截面一般都比Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶体的基态吸收截面小，有利于逡逑被动调Ｑ，因而Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体自发现以来，一直被用于近红外波段的饱和吸收逡逑调Ｑ元件。１９９５年，Ｙ．邋Ｓｈｉｍｏｎｙ等人采用Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体实现了对Ｎｄ：ＹＡＧ晶逡逑体的被动调Ｑ运转

和吸收体Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶体为例，详细分析了被动调Ｑ理论模型。逡逑２．１三能级（Ｖ３／２－＞％２）连续波模型逡逑三能级系统的简要模型如图２．１所示，可以看到只有三个能级参与激光的产逡逑生过程。其中，及为基态能级，即产生激光的下能级；及为亚稳态能级，即激逡逑光的上能级；及为抽运带，也即高能级。在泵浦激励作用下，下能级的粒子由逡逑于受激吸收被抽运到￡３能级，到达五３能级后，由于该能级上的粒子寿命很短，逡逑粒子停留时间极短，该能级上的粒子又通过非辐射跃迁快速弛豫到激光的上能级逡逑￡２上。而处于上能级应上的粒子寿命比高能级五３上的粒子寿命长，因而该能级逡逑上的粒子也比较稳定，不易发生跃迁。当下能级一半以上的粒子被抽运到上能级逡逑后，粒子就会在上下两个能级之间发生反转，此时，将会产生相应波长的激光。逡逑在正常情况下
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

【参考文献】

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本文编号：2612711