增益开关Ho,Pr:LLF激光器输出特性研究

发布时间：2020-06-01 17:21

【摘要】：3μm波段中红外激光器在医疗、遥感、大气环境监测以及光电对抗方面有着重要应用。随医疗行业不断进步和人们对健康要求的不断升级,3μm波段激光由于对水强烈的吸收作用,在医疗行业,尤其是牙科和外科手术中占有越来越多的作用。在大气探测方案中,3μm对大气中水汽变化的检测十分敏感,可作为环境监测的良好工具。除此之外,3μm波段激光由于可作为中远红外激光器的泵浦源,在光电对抗和激光雷达的发展和研制中有着重要应用。掺杂Ho~(3+)的激光介质输出3μm波段激光的研究尚在起步阶段,近年来,Ho~(3+)、Pr~(3+)双掺杂,基质为LiLuF_4的晶体通过Czochralski方法生长,同时成功输出3μm波段激光。作为一种新的输出3μm波段激光的手段,增益开关Ho,Pr:LLF激光器输出特性研究很有意义。由此,本文的研究内容可以概括为以下几个部分。首先,以Ho,Pr:LLF晶体的物理特性和光谱特性出发,研究Ho~(3+)离子的能级结构和离子跃迁机制,建立Ho,Pr:LLF激光器三能级系统速率方程,并对线形腔Ho,Pr:LLF激光器不同输出镜透过率对输出特性的影响进行分析。其次,根据Ho,Pr:LLF晶体吸收特性,搭建KTP光学参量振荡器作为Ho,Pr:LLF激光器泵浦源。以非线性晶体准相位匹配条件为理论依据,计算KTP晶体在532 nm激光泵浦条件下输出1190 nm波段激光的晶体切割角,通过仿真设计KTP OPO的谐振腔型,并仿真计算KTP光学参量振荡器的腔内光斑分布。结合仿真,通过实验获得最大输出单脉冲能量为4.4 mJ、脉宽8.2 ns、中心波长为1191.9 nm的激光输出。对实验结果进行测量和论证。最后,搭建Ho,Pr:LLF激光器,进行Ho,Pr:LLF激光器谐振腔的设计,通过仿真计算得到模式匹配下的谐振腔长。正常运转时,获得最大输出单脉冲能量为102μJ,激光脉宽为33 ns,中心波长为2958 nm,峰值功率最大为3.1 kW的激光输出。光-光效率和泵浦斜率效率分别为1.5%和2.6%。在最佳输出条件下,输出激光脉冲宽度随泵浦能量的变化从96 ns到33 ns。针对泵浦源的1.19μm激光和输出的2.95μm激光的脉冲时序,从增益开关的特性出发,深入分析Ho,Pr:LLF激光器的增益开关特性,给出实验的分析结果。本文是对于新型晶体Ho,Pr:LLF固体激光器的输出特性研究,同时使用增益开关法获得了目前此类研究中峰值功率最大的激光输出,对3μm激光的应用有一定价值。
【图文】：

第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义3 μm 波段中红外激光器在医疗、遥感、大气环境监测以及光电对抗方面着重要应用。随着医疗行业的不断进步和人们对健康要求的不断升级，，如图 所示，3 μm 波段激光由于它对水强烈的吸收作用[1]，在医疗行业，尤其是牙和外科手术中占有越来越多的作用。同时，对大气中水汽变化的检测也十分感，可作为环境监测的良好工具。除此之外，3 μm 波段激光可作为中远红外光器的泵浦源，所以在光电对抗和激光雷达的发展和研制中有着重要的应用目前，实现 3 μm 波段激光输出的技术主要有几种方案：氙灯泵浦的 2.94 Er:YAG 激光器；二极管激光器泵浦 Er:YSGG 晶体获得 2.8 μm 激光输出；对Pr:GYSGG 晶体进行抽运，获得 2.94 μm 连续激光输出；使用 Er:Y2O3陶瓷为工作介质，低温条件下获得 3 μm 波段连续激光输出；光纤激光器作为泵浦端面泵浦 Ho,Pr:LLF4晶体，获得 2.95 μm 连续激光输出。产生 2.7~3.0 μm 中外激光的方式主要由掺杂 Er3+、Ho3+两种稀土离子激光器来完成。

目前解决该问题的方法是通过向晶体内掺杂 Pr3+离子，缩短 Ho3+离子5I6与下能级5I7的寿命差，让晶体内更容易发生粒子数反转，使输出 2.9 μ成为可能。近几年，使用 1150 nm 激光作为泵浦源，泵浦 Ho,Pr:LLF 激出 2.95 μm 激光已有相关研究机构发表文献证明。Ho,Pr:LLF 激光器成为段激光输出的新方向。因此，本文通过 KTP 光学参量振荡器产生峰值功率较高的 1190 nm 脉冲浦源，端面泵浦 Ho.Pr:LLF 晶体，输出 2.95 μm 激光并探究其增益开关有意义。3 微米激光器研究现状 掺 Er 激光器的研究现状1999 年，美国的 Da-Wun Chen 及其所在小组人员使用 2 个波长为 0.96 μ导体激光器，进行偏振耦合，通过对 Er:YAG 晶体进行单端面的抽运，到了波长为 2.9 μm 的激光输出，而且该激光的输出功率为 1.15 W，斜为 34%[2]。实验示意图如图 1-2 所示。
【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】：2019
【分类号】：TN248

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本文编号：2691811