高功率Ho:YAG MOPA及长波红外OPO激光系统研究

发布时间：2020-05-07 08:24

【摘要】：2μm波段及8-12μm波段同属于大气窗口范围和人眼安全范围,在激光制导、定向红外对抗、环境监测、激光医疗等诸多领域有非常重要的应用价值。特别是在军事方面,高平均功率、高重复频率、结构紧凑的2μm激光器和长波8-12μm激光器的需求越来越紧迫,因此有必要对2μm激光器及2μm泵浦长波8-12μm激光器进行研究。本论文以实现高平均功率的2μm激光输出以及长波8-12μm激光输出为目的,从理论及实验两个方面对双端泵浦Ho:YAG主振荡-功率放大器(MOPA)系统、2.1μm泵浦的长波ZnGeP_2(ZGP)光学参量振荡器(OPO)和2.1μm泵浦的长波BaGa_4Se_7(BGSe)OPO进行了细致的研究。首先,本文介绍了近年来获取高功率2μm波段激光输出的主要方案,分析了各方案的优缺点,指出了研究Ho:YAG MOPA系统的必要性。此外,进一步介绍了目前常用的长波非线性晶体,讨论了ZGP和BGSe晶体在实现长波激光输出方面的优点和缺点,介绍了ZGP OPO和BGSe OPO在长波激光输出方面的研究进展,明确了研究长波ZGP OPO和长波BGSe OPO具有重要的意义。对Ho:YAG MOPA系统进行了理论分析。建立了双端泵浦Ho:YAG振荡器和放大器的速率方程,理论分析了不同参数对振荡器和放大器输出性能的影响。建立了主动调Q速率方程,分析了不同参数对Ho:YAG激光器输出的脉冲能量及脉冲宽度的影响。根据稳态热传输方程,理论分析了高功率泵浦情况下Ho:YAG晶体内的热分布情况。计算了Ho:YAG晶体内的等效热焦距,并通过将晶体分成多份的方式,分析了放大器中种子激光在Ho:YAG晶体内的光斑分布情况。根据Ho:YAG MOPA系统的理论分析,设计并实验了包括Ho:YAG振荡器、一级及二级Ho:YAG放大器的MOPA系统。振荡器在脉冲重复频率为10 kHz时获得了平均功率为55.1 W的2.1μm激光输出,输出激光的光束质量因子约为1.1。然后利用获得的2.1μm激光作为种子激光,讨论了不同参数对Ho:YAG放大器输出性能的影响,获得了平均功率为140 W的2.1μm激光输出,放大器的提取效率为60.1%。进一步对二级Ho:YAG放大器进行研究,讨论了不同种子激光功率对放大器输出功率的影响,得到了平均输出功率为231 W的2.1μm激光输出,对应的提取效率为60.7%,斜率效率为67.8%,光束质量因子小于1.1。对长波ZGP OPO进行了理论和实验研究。理论上,分别对I类和Ⅱ类ZGP OPO的相位匹配调谐曲线、光谱增益宽度、泵浦源的限制性条件、ZGP晶体的有效增益长度进行了分析,并讨论了不同参数对长波ZGP OPO输出性能的影响。在实验上,利用I类相位匹配的ZGP OPO获得了平均功率为3.3 W、重复频率为10 kHz、波长为9.7μm的激光输出,光光转换效率为3.3%,波长调谐范围为9.3-9.85μm,闲频光调谐范围内功率大于2.6 W。利用Ⅱ类相位匹配的ZGP OPO实现了平均功率为3.4 W、重复频率为10 kHz、波长为9.7μm的长波激光输出,光光转换效率为3.4%,闲频光的波长调谐范围为9.3-10.8μm,调谐范围内功率大于1.27 W。对Ⅱ类相位匹配长波BGSe OPO进行了理论及实验研究。计算了2.1μm泵浦BGSe OPO的相位匹配调谐曲线,并通过实验研究了Ⅱ类相位匹配BGSe OPO在闲频光波长为8.2-9.0μm范围内的波长调谐性能。对BGSe OPO的光谱增益宽度、泵浦源限制、BGSe晶体的有效增益长度进行了计算,并对2.1μm泵浦BGSe OPO的输出特性进行了数值分析,讨论了不同参数对长波BGSe OPO输出特性的影响。实验上,在闲频光波长为8.93μm处获得了平均功率为314 mW、重复频率为1 kHz的长波激光输出,对应斜率效率为7.4%,光光转换效率为3.5%,波长调谐范围为8.2-9.0μm。BGSe OPO的实验结果表明,BGSe晶体具备实现高功率和高效率长波激光输出的潜力,2.1μm泵浦BGSe OPO是实现长波激光输出的一种有效方案。
【图文】：

温度分布,晶体,泵浦,单端

第 2 章 Ho:YAG MOPA 系统的理论分析致形变导致的晶体端面脆裂的风险。假设晶体尺寸为 4 mm×100 mm，掺杂浓度为 0.3 at.%，晶体对泵浦的吸收系数为 0.3 cm-1。图 2-22 给出了 100 W 双端泵浦时的晶体内温度分布，晶体内温度最高为 291.8 K，降低晶体掺杂浓度并增长晶体长度能够有效的降低晶体内温差，使晶体内温度场更加均匀。

温度分布,晶体,泵浦,双端

第 2 章 Ho:YAG MOPA 系统的理论分析致形变导致的晶体端面脆裂的风险。假设晶体尺寸为 4 mm×100 mm，掺杂浓度为 0.3 at.%，晶体对泵浦的吸收系数为 0.3 cm-1。图 2-22 给出了 100 W 双端泵浦时的晶体内温度分布，晶体内温度最高为 291.8 K，，降低晶体掺杂浓度并增长晶体长度能够有效的降低晶体内温差，使晶体内温度场更加均匀。a) 45°视角 b) 90°视角a) 45 degree angle of view b) 90 degree angle of view图 2-20 100 W 单端泵浦 Ho:YAG 晶体(0.8 at.%)内的温度分布Fig. 2-20 Temperature distribution of 100 W single-end-pumped Ho:YAG crystal (0.8 at.%)
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN24;TN722

【参考文献】