高功率2微米单掺Ho:YAG固体激光器研究

发布时间：2017-12-17 17:27

  本文关键词：高功率2微米单掺Ho:YAG固体激光器研究

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【摘要】：2μm激光处于人眼安全波段和大气的弱吸收带,因此其在很多领域有着重要的应用,例如,大气探测、自由空间光通信、激光医疗、激光雷达和光谱学等。特别地,脉冲输出的2μm激光器是中红外(3~5μm)和远红外(8~12μm)波段的光学参量振荡器(OPO)和光学参量放大器(OPA)的高效泵浦源。中远红外激光在激光雷达、光电对抗、激光测距和红外制导技术等方面具有非常重要的应用价值。为了满足这些军事、工业和农业应用的需求,对高性能2μm激光器的研究是最为关键的一步。近年来,以YAG、YLF和YAP等为掺杂基质的单掺Ho激光器获得了广泛研究,本文通过对单掺Ho基质激光器的各种技术途径研究进展的对比分析,指出了各自的优缺点,得到了利用掺Tm固体激光泵浦Ho:YAG激光器研究的必要性。因此,本论文致力于研究高功率连续及调Q运转的Ho:YAG激光器,以期为高功率、高效率以及高光束质量的2μm激光器的发展做出一定的贡献。对Ho:YAG晶体的吸收光谱和发射光谱进行分析,明确了Ho3+的较强吸收峰位于1908nm附近,而且其峰值半宽度比较窄。因而为了保证Ho:YAG晶体对泵浦光有较强的吸收,要求泵浦光的波长比较稳定性且输出线宽比较窄。考虑能量上转换和基态损耗,通过Ho:YAG的能级跃迁理论和激光产生机理,建立了双末端面泵浦连续Ho:YAG激光器的准四能级速率方程模型。考虑晶体工作温度对玻尔兹曼占有因子的影响,利用速率方程模型,数值分析了基态损耗、能量上转换、晶体工作温度、泵浦光斑半径、输出镜透过率、泵浦光光束质量和束腰位置以及晶体的掺杂浓度和长度对激光器输出特性的影响。建立了脉冲Ho:YAG激光器的速率方程理论,并利用此方程对影响输出激光的单脉冲能量、能量提取效率和脉冲宽度等主要参数进行了理论分析。为了给Ho:YAG激光器提供泵浦源,利用体光栅和F-P标准具选择波长并压窄线宽的技术,对发射峰刚好处于Ho3+的较强吸收峰的Tm:YLF激光器进行理论与实验研究。采用多晶体串联技术并利用板条状结构的Tm:YLF晶体,提高了Tm:YLF激光器总的泵浦功率和输出功率。对两种不同形状的Tm:YLF晶体进行热效应分析,并数值分析了泵浦光斑半径对晶体温度分布和晶体热透镜焦距在不同泵浦功率下的影响。在块状Tm:YLF晶体的实验研究中,获得的最高平均输出功率约为60.1W,斜率效率约为35.1%。在板条状Tm:YLF晶体的实验研究中,利用不同尺寸的板条晶体对双晶体激光器输出特性的进行对比研究,并对影响激光器输出特性的泵浦及谐振腔参数进行实验研究,得到输出特性最佳的晶体以及泵浦和谐振腔参数。在304.5W的泵浦功率下,双板条晶体Tm:YLF激光器获得了最高输出功率约为108.0W,对应的斜率效率和转换效率分别为39.0%和35.5%,输出光谱的峰值半高宽度小于1nm,从阈值到最高输出功率,激光输出波长移动了0.3nm,光束质量因子小于3。对单晶体Ho:YAG的谐振腔的稳定性和Ho:YAG晶体的热透镜效应进行了理论分析,并利用稳腔条件实际测量了不同泵浦功率下Ho:YAG晶体的热焦距。理论分析了Ho:YAG晶体热焦距对谐振腔稳定性的影响。以设计的Tm:YLF固体激光器为泵浦源,对3种不同浓度和长度的Ho:YAG晶体的连续及调Q输出特性进行对比实验研究。同样的泵浦参数和谐振腔参数下,掺杂浓度为0.8at.%且长度为45mm的Ho晶体获得的斜率效率最大,为74.8%,在注入泵浦功率为83.2W时获得58.7W的连续平均输出功率,在调Q状态下,重复频率为20k Hz时得到了2.9m J的最高单脉冲能量,脉冲宽度约为31ns,对应的峰值功率约为94.7k W。在单晶体Ho:YAG激光器研究的基础上,以设计的Tm:YLF固体激光器为泵浦源,采用多晶体串联技术提高Ho:YAG激光器的输出功率。在单末端面双程泵浦的实验中,对泵浦光采用偏振片配合四分之一波片的方法解决了双程泵浦的反馈问题,同样的泵浦条件下,与单程泵浦相比,在斜率效率和转换效率方面,双程泵浦都分别高出了4.8个百分点,阈值泵浦功率也比单程低约2.6W。在双末端面泵浦的实验中,采用偏振片隔离技术,连续运转模式下,注入泵浦功率约为174.6W时,最高平均输出功率约为119.0W,相对应的斜率效率约为74.6%。在调Q运转模式下,腔内插入一定厚度的F-P标准具,使得输出波长只有一个峰值,在209.5W总的泵浦功率和20k Hz的重复频频下,获得的最高平均输出功率约为118.0W,斜率效率为61.7%,相应的最大单脉冲能量约为5.9m J,最短脉冲宽度约为24ns。输出功率100.0W附近的光束质量因子小于2。
【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】：2015
【分类号】：TN248.1

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本文编号：1300981