基于Nd掺杂锗酸盐晶体及新型吸收体的脉冲激光特性研究

发布时间：2020-11-13 13:12

　　 激光二极管(LD)泵浦的全固态脉冲激光器在通讯、军事武器和医疗等领域有着广泛的应用。其具有结构紧凑、脉冲宽度窄、峰值功率高、稳定性好、光束质量高等优点。近年来,以人工晶体为基础材料的全固态激光器向实用化快速发展,人工晶体是LD泵浦全固态激光器的重要组成部分,一代材料、一代器件,它们的变更影响着固体激光器的性能和发展方向。四能级结构掺钕(Nd~(3+))的锗酸铋(BGO)和硅锗酸铋(BGSO)立方晶体,由于具有光输出高、晶体密度大、化学稳定性好、机械强度高和光学性能好等优势,在固体激光领域崭露头角。从理论和实验上通过对Nd:BGO和Nd:BGSO晶体结构、离子的发光特性、能量传递及其与晶格相互作用的研究,全面表征了它的激光特性,使用新型可饱和吸收体(saturable absorber,SA)实现了晶体的脉冲激光输出,减小了实验过程中激光晶体的热效应,获得了结构紧凑高效的小型全固态脉冲激光器,同时也为该类晶体的优化生长提供了一定的参考依据。本文的主要研究内容如下:1.回顾了全固态激光器的发展历程和脉冲激光原理。介绍了Nd:BGO和Nd:BGSO晶体的发展状况和晶体性能。同时简要介绍了两种新型可饱和吸收体—铋烯纳米片(Bi-NSs)和氧化铟锡纳米线阵列(ITO-NWAs SA),并对可饱和吸收材料的结构和特性进行了阐述。2.采用微拉下降法成功生长了Nd:BGO晶体,并且在波长为880 nm的LD泵浦下实现了连续和脉冲激光运转。对Nd:BGO晶体的能级和光谱特性进行了分析,理论验证了使用波长为880 nm的泵浦源直接对该晶体进行泵浦的可能性。阐述了直接泵浦法减少量子亏损发热的原理,并通过使用不同波长(808 nm和880 nm)的LD泵浦Nd:BGO晶体进行实验验证。进一步以Cr~(4+):YAG作为可饱和吸收体,实现了不同泵浦下该晶体脉冲激光性能的对比。通过比较Nd:BGO晶体在不同泵浦下的连续和脉冲激光性能,我们发现使用880 nm LD直接泵浦的方法,可以提高激光器的效率、能量和光束质量。3.使用超声法成功制备了Bi-NSs材料,并且对该材料进行了表征。用Z扫描的方法,测量了可饱和吸收体在1μm波段的调制深度和可饱和通量,实现了Bi-NSs材料作为可饱和吸收体在1μm固体激光器中的应用。得到了基于Bi-NSs SA的Nd:BGO被动调Q激光器。4.对Nd:BGSO晶体的结构性能和光谱特性进行了表征,研究了LD泵浦的连续和被动调Q Nd:BGSO激光器。比较了不同泵浦波长下(808 nm和880 nm)Nd:BGSO激光器的连续激光性能。在连续激光器性能最佳时,将Bi-NSs SA作为调制器件,实现了Nd:BGSO的被动调Q脉冲激光运转。将其与在相同实验条件下Nd:BGO激光器的结果进行分析对比研究,证明了Nd:BGSO晶体是一个更有潜力的激光晶体。5.设计了LD泵浦Nd:BGSO锁模谐振腔,使用SESAM实现了调Q锁模激光运转。在波长为880 nm泵浦的Nd:BGSO激光器中实现了超短脉冲输出。实验获得的最大平均输出功率为0.176 W,最短脉冲宽度为1.531 ns,所对应的脉冲重复频率为54.35MHz。6.使用化学气相沉积法(CVD)制备了ITO的一种纳米结构-ITO-NWAs,并将ITO-NWAs材料应用于固体激光器。在近红外波段对该材料的非线性进行表征,得到了它在不同波段的调制深度和可饱和通量。系统的研究了ITO-NWAs作为SA在近红外波段的脉冲激光性能,实现了基于ITO-NWAs SA的宽波段被动调Q激光器,证实了ITO-NWAs作为宽带可饱和吸收材料的潜力。接下来将该材料应用于上一节结构紧凑的Nd:BGSO连续激光器内,实现了被动调Q脉冲激光输出。通过研究发现,ITO-NWAs材料具有较好的化学稳定性、较高的损伤阈值、较大的光学非线性和调制深度,有望发展成为一种高效的超快光学调制器。
【学位单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O734;TN248
【部分图文】：

山东师范大学硕士学位论文2具有稳定的物理化学性质之外，还需要考虑它是否与激活离子相匹配以及基质晶体场影响激活离子的光谱等因素。比如所选基质材料中的阳离子和掺杂的激活离子之间的半径和价态越接近，则匹配程度越高。而对于寻找性能更加优良的新材料和新晶体，是激光研究领域永恒不变的主题。图1-1四能级能级结构图。1.21μm波段掺钕的新型激光晶体材料1.2.1掺钕的锗酸铋(Nd:BGO)晶体简介锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）晶体是一种无色透明具有良好的光学性能和机械性能的立方晶系（图1-2）。其空间群为43m或I43d，晶胞常数为1.05nm，单位晶胞内包含4个Bi4Ge3O12分子[13,14]。BGO晶体具有密度大、硬度大、易生长、不易潮解且热学性能稳定的优势且在0.3μm~6μm波段具有高的透过率。在掺杂了稀土离子之后，BGO晶体展现出了良好的抗光损伤性能[15]，这些优异的性能使得该晶体成为了一个良好的激光基质备选材料。1969年，Johnson等人首次制出了掺钕的BGO激光晶体[16]。1972年，Dickinson等人用提拉法生长Nd、Yb、Er掺杂的BGO晶体，发现稀土掺杂的BGO晶体为有潜力的激光增益材料[17]。而在1993年，Zhou等人首次实现了LD泵浦的Nd:BGO自调Q激光器，得到了稳定的脉冲序列[18]。在1994年，Feng等人在Nd3+掺杂BGO晶体中实现了连续激光操作，得到了40mW的输出功率，最大斜效率为20%[19]。2017年，Nd:BGO

山东师范大学硕士学位论文3晶体的微观结构和能级被系统的计算研究[20]。近期，Lin等人实现关于Nd:BGO单晶光纤的连续激光输出，并测得连续激光输出功率达到了3.37W[21]。当Nd3+掺杂到BGO晶体中时，由于Nd3+离子的离子半径约为0.104nm，Bi3+离子的离子半径为0.096nm，它们的离子半径十分相近，Nd3+离子可以取代晶体中的Bi3+离子，形成两个发光中心，这使得Nd:BGO成为一个较好的具有特色的激光晶体[22]。而且在Nd:BGO晶体中，Bi3+离子还可以对晶体中的Nd3+离子起到激活与敏化的作用，它可以作为Nd3+例子的敏化离子，以改善和提高晶体对泵浦光的吸收。张秀荣等人研究了Nd:BGO的光谱特性，证实了该晶体具有基质敏化机制，并且和Nd:YAG晶体进行了对比[23]。他们研究发现，Nd3+离子在BGO中的分凝系数接近于1。这使得Nd3+离子比较容易掺杂进BGO晶体中，有利于大浓度的掺杂且晶体的均匀性较好。而且经过对该晶体的吸收谱进行分析，他们发现该晶体的吸收谱和室温下Nd:YAG的吸收谱类似，而且由于Nd3+离子受到BGO内晶体场的作用，能级分裂和谱线加宽，这使得Nd:BGO晶体的吸收带要宽于Nd:YAG晶体。在室温下，Nd:BGO晶体所拥有的基质敏化特性有利于增强晶体的发光强度，而该特性也可以减小Nd3+的4I11/2能级到4F3/2能级的再吸收过程，以此使得该晶体的阈值降低。图1-2BGO晶体的晶体结构图。Nd:BGO晶体具有光输出高、阈值较低、密度高、能量分辨率高、辐射硬度高等优点，是固体激光器的一种潜在的激活介质。在本文中，我们对Nd:BGO晶体的激光特性

山东师范大学硕士学位论文6图1-3调Q装置原理示意图。而被动调Q的Q值无法人为操控，其与激光腔内的光强有关。被动调Q无需外加声光或电光电源，所以更加的简便、结构紧凑且灵活性高，该操作主要是通过在谐振腔中插入可饱和吸收器件来实现（图1-3(b)）。因此一个好的可饱和吸收器件是调Q激光器获得短脉冲、高峰值功率的关键元件。1966年，DeMaria等人首次用SA在Nd:glass激光器中实现了的被动锁模，获得了ps量级的超短脉冲[33]。近年来，研究和探索新型高性能的可饱和吸收体（SAs）已成为激光研究的一个热门领域，可饱和吸收体的探索和发展极大地促进了激光器的发展。1.3.2锁模激光技术1946年，锁模技术首次应用在了He-Ne激光器上，这使得该技术获得了迅猛发展。在激光器未经锁模时，是自由振荡的，为多纵模输出。多个纵模各自独立，位相和振幅都随机，无法产生持续的相干作用。假设单个纵模的电场可以表示为下式Eq(t)=Eqcosωq+φq1.2其中Eq是第q个纵模的振幅，ωq和φq是第q个纵模的角频率和初始相位。而多纵模输出激光器的光强是一个平均值，为各纵模光强的累计叠加。若谐振腔内有2N+1个模式起振，则由这2N+1个纵模所叠加的场强为E(t)=Eqcosωq+φqNq=-N1.3则在自由运转的激光器内，若各纵模的振幅相同，皆用E0表示，输出光强可以表示为I∝(2N+1)E021.4若是采用锁模技术，使激光器各振荡纵模之间的频率间隔一定且具有确定的相位关系，则多纵模之间就会产生相干作用，输出有规则的脉冲序列。若谐振腔内有2N+1个
【参考文献】

相关期刊论文 前9条

1 王庆;魏志义;王兆华;李德华;张治国;张怀金;王继扬;杨军红;麻云凤;;二极管直接抽运Nd:LGS激光器[J];中国激光;2013年05期

2 肖学峰;顾赟;徐家跃;张彦;向卫东;;BGSO闪烁晶体力学性能研究[J];人工晶体学报;2013年01期

3 施玉显;卢铁林;冯宝华;张怀金;于浩海;王继扬;;885 nm和808 nm LD抽运Nd:CNGG 935 nm激光器热效应研究[J];中国激光;2012年11期

4 何坤娜;魏志义;张治国;高春清;;全固态激光直接抽运技术的发展和研究现状[J];中国激光;2009年07期

5 汤刚;肖卓豪;左成钢;韩立国;卢安贤;;掺Nd~(3+)激光材料的研究进展[J];材料导报;2009年11期

6 李旭东;于欣;金凤文;彭江波;张文平;于俊华;陈德应;;879nm直接抽运提高Nd∶GdVO_4激光器性能[J];中国激光;2007年12期

7 徐军;;激光晶体材料的发展和思考[J];激光与光电子学进展;2006年09期

8 张霞,张庆礼,苏静,王召兵,孙敦陆,邵淑芳,江海河,殷绍唐;稀土激光晶体研究进展[J];人工晶体学报;2005年04期

9 史彭,李隆,甘安生,李东亮,白晋涛;全固态激光器中掺Nd~(3+)离子激光晶体热效应的研究[J];激光技术;2004年02期

相关硕士学位论文 前3条

1 吴永静;LD泵浦氟化物无序结构晶体1μm波段超快激光研究[D];山东师范大学;2018年

2 贾建勋;880nmLD双端端面泵浦Nd:YVO_4/LBO全固态连续红光激光器[D];山西大学;2012年

3 郝良振;掺钕氧化镥激光晶体生长及其性能研究[D];山东大学;2012年

本文编号：2882229