掺钕多段键合晶体的热效应和激光特性研究

发布时间：2020-11-09 18:40

　　 激光二极管(Laser Diode)泵浦的全固态激光器的系统稳定性强、整体结构简单、光束方向性好且获得的泵浦效率非常高等优点,在激光光谱检测、通信光谱编码、精密工业加工、遗传基因能量转移、先进医学手术等先进学技术领域收到科学家们的青睐,得到大范围推广与应用,近年来一直是人们研究的热点。泵浦功率增加引起增益介质产生的热透镜效应和热致双折射效应是阻碍激光器获得更高输出功率和更好光束质量的关键因素之一。近年来的研究表明,具有浓度梯度的键合晶体,可以有效地减少增益介质内部由于热沉积而产生的热损耗,从而减少热效应。本论文的泵浦源选用光纤耦合输出的激光二极管,选用分段掺杂不同浓度的键合 Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4、Nd:GdVO4/Nd:GdVO4/Nd:GdVO4、Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4、Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4 晶体作激光工作物质,分别对键合晶体的热效应参数即温度场和热焦距以及脉冲激光特性进行了探索。论文的涉及的工作有以下几个方面:(Ⅰ)研究了非键合晶体和不同掺杂浓度的分段键合晶体的热效应机理,利用有限差分法将热传导方程的中的导数用相应的差商近似代替,得到差分形式方程,采用数值模拟方法,理论模拟了同基质和不同基质的增益介质的热焦距和晶体内部以及泵浦端面上的温度场分布情况。对晶体的热焦距进行了实验测量,测量的结果和数值模拟的数据在变化趋势上一致,即理论数据和实验结果随泵浦功率变化的趋势吻合。(Ⅱ)实验研究了以GaAs为饱和吸收体的LD泵浦键合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4被动调Q激光特性。通过实验测得了激光器特性参数如输出功率、脉宽、脉冲重复率等在不同输出镜透过率条件下随泵浦功率发生变化的趋势。然后利用E=Pav/F和Ppeak =E/tp计算出单脉冲能量、峰值功率,分析和泵浦功率的变化关系。(Ⅲ)实现了 Cr4+:YAG饱和吸收体1064 nm的LD泵浦多段键合Nd:YVO4晶体被动调Q激光运转。实验采用平凹腔结构,通过实验获得了两块不同掺钕浓度的键合Nd:YVO4晶体在不同小信号透过率条件下表征激光器性能的参数如输出功率、脉宽、峰值功率等随泵浦功率变化的趋势。(Ⅳ)实现了 LD泵浦键合Nd:YVO4主动调Q的1064 nm激光运转。利用EO开关作为调Q器件对激光器实现了主动调Q,研究其主动调Q的激光特性,选用两块相同尺寸不同掺钕浓度的键合Nd:YVO4/Nd:YV04/Nd:YVO4晶体进行实验测量,分别在不同输出镜透过率的条件下,测得经过谐振腔的输出功率、脉宽、脉冲重复率等表征激光器性能的参数随泵浦功率增加而改变的趋势,进而利用E=Pav/F和Ppeak=E/tp计算出E和Ppeak的变化曲线。(Ⅴ)利用半导体可饱和吸收镜SESAM,分别采用W型和X型五镜折叠腔实现了 LD泵浦下键合Nd:YVO4和Nd:GdVO4晶体1064 nm的稳定连续锁模激光输出。利用ABCD矩阵理论进行计算,选择合适腔长,进一步优化和调整谐振腔的各项参数,获得稳定的连续锁模输出。(Ⅵ)采用X型腔,对不同基质键合Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4和Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4晶体1064 nm的连续锁模激光特性进行了对比研究,结果表明Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4的激光性能更好,而且同等条件下优于同基质键合Nd:GdVO4/Nd:GdVO4/Nd:GdVO4晶体的激光输出特性。论文的创新点:(Ⅰ)首次通过分段晶体近似薄透镜的计算方法,计算出不同基质键合Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4、Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4 晶体的热焦距。借助 MATLAB软件,采用有限差分法,模拟出键合Nd:GdVO4/Nd:GdVO4/Nd:GdVO4、Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4、Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4 晶体内部温度场的分布情况。(Ⅱ)首次利用SESAM实现了键合Nd:GdVO4/Nd:GdVO4/Nd:GdVO4晶体连续锁模激光运转。(Ⅲ)首次利用SESAM实现了不同基质键合Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4和Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4晶体连续锁模激光运转,并对它们的激光特性进行了对比研究。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｌｅｖｅｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｃｒ３＋?ｉｎ?Ｒｕｂｙ??图１．?１红宝石中铬离子的能级结构??激光器的优点为：晶体尺寸大，亚稳态寿命长，功率密度机械强度好；主要的缺点是：阈值高且温度效应非常严重。

红宝石激光器的工作物质是Ｃｒ３＋：Ａ１２０，，其中，基质是Ａ１２０３，?＆＾离子是掺杂的发??光的激活粒子，工作物质的光谱特性由Ｃｒ＞的能级结构决定，为三能级系统。如下??图１．?１所示为Ｃｒ＇ＡｂＯ；晶体Ｃｒ：Ｈ能级图［５］。一般在室温条件下，Ｃｒ＾ＡｈＯ，激光器??输出波长为６９４．?３?ｎｍ的红光。??３０?ｒ??：５”丨遞礙＇??Ｉ??？?２０ｈ?．?ｆｖ??＜?卜－Ａ?２Ａ?＼?Ｘ?＿Ｊ＿＿??二?泫?＼?２９ｃｍ?？??虿?＾?ｋ??茬?１〇?‘?Ｒ：／?Ｒ，??激光跃迁??＊?？??５卜?／?／??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｌｅｖｅｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｃｒ３＋?ｉｎ?Ｒｕｂｙ??图１．?１红宝石中铬离子的能级结构??红宝石激光器的优点为：晶体尺寸大，亚稳态寿命长，功率密度高，单模输??出能量高，机械强度好；主要的缺点是：阈值高且温度效应非常严重。温度升高??时，波长向长波方向移动，导致荧光谱线加宽，荧光量子效率随之下降，持续严??重会引起“猝灭”现象。这些缺点导致红宝石激光器不能连续高重复率工作，只??能在低温条件下运转。??１．２．２掺钦ＩＺ；铝石榴石激光器（ＮｃＰ：ＹＡＧ）??３??

?条件是其光学元件必须密闭在干燥的容器之中，与水蒸气完全隔离，否则激光束??将会被破坏［６］。图１．?３所示为Ｅｒ：ＹＡＧ激光跃迁能级图，其输出的波长为２．?９４网。??６???１０４１２??５???丨０４（）８??４?—－……——■?＿＝丨器努??７?Ｉ０２Ｓ５??７?！?０２５２??．－＜＊?＾－＜Ｃ?？—＜??宏?窆ｓ??７????６８７＾??６?６８７５??ｑ?—??６３００??４?」?６７７９??＇???ｔ＞６（）２???６５９６??Ｔ?—??（＞５４Ａ??ｗｍ?ａ能级??ｆｉ＾ｍ?Ｕｋｃｒｎｒ?＇??Ｆｉｇ．?１．３?Ｌａｓｅｒ?ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ?ｌｅｖｅｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｅｒ：ＹＡＧ??图１．３?Ｅｒ：ＹＡＧ激光跃迁能级图??研宄结果显示Ｅｒ：ＹＡＧ激光器的最大平均功率可达到３?Ｗ，最大脉冲输出能量??达到５?Ｊ，就长波长固体激光器而言，这是是目前输出功率最大、效率最高的激光??系统；这种激光器的输出波长为２．?９４?ｐｍ，可被人体组织吸收，这是Ｅｒ：ＹＡＧ激光??器与其他激光器相比的一大优点。掺铒钇铝石榴石Ｅｒ：ＹＡＧ激光器的出现使激光在??医疗领域应用得到突破，尤其在激光外科和血管外科有很大的潜力［７］。??受到工作条件的限制，Ｅｒ：ＹＡＧ激光器并没有像上述两种激光器一样被广泛应??用。但不久的将来，我们相信它会在固体激光器当中占有一个非常重要的地位。??１．２．?４可调谐固体激光器??随着激光器类型的不断开发和研宄，出现了波长可以变化和调制的固体激光??器
【参考文献】

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本文编号：2876823