基于石墨烯全固态调Q与锁模2μm激光器研究

发布时间：2017-03-21 08:07

  本文关键词：基于石墨烯全固态调Q与锁模2μm激光器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人眼安全的2μn波段激光器因处于大气窗口,对应水的吸收峰,在相干探测、激光雷达、激光医疗、高分辨率分子光谱以及光电对抗等领域都有着极其重要的应用价值。并且该波段激光还是光参量振荡(OPO)产生中红外3-5μn激光的重要光源。因此,2μm波段激光器吸引了越来越多的研究瞩目。新型材料石墨烯因其特殊的狄拉克电子零带隙结构,具有调制深度深,快载流子弛豫时间,低线性吸收损耗,工作范围宽(可见光-太赫兹)等优点,被认为可代替传统可饱和吸收材料应用于超短脉冲激光设备,尤其是2μm长波波段激光中。本论文对于石墨烯在2μm波段多种结构与不同泵浦方式的调Q与锁模激光器的输出特性进行了系统的理论与实验研究。并基于石墨烯和体布拉格光栅(VBG)创新性地提出结构简易的单频调Q Tm：YAP激光器和波长宽带可调调QTm：YAP激光器设计方案。主要研究内容如下：(1)石墨烯被动调Q Cr:Tm:Ho:YAG激光器理论实验研究理论分析了灯泵Cr:Tm:Ho:YAG激光系统中的泵浦方式、聚光腔设计、谐振腔结构、冷却系统、工作物质等方面对Cr:Tm:Ho:YAG激光系统的参数选择影响,并实验对比了不同参数选择对激光输出特性的影响。实现了石墨烯被动调Q的Cr:Tm:Ho:YAG激光器并研究了其输出特性,获得了超过5W调Q激光输出。建立了石墨烯调Q Cr:Tm:Ho:YAG系统的速率方程,理论计算结合数值模拟解释了实验中脉冲序列出现的脉冲分立,即子脉冲现象。(2)由Tm:YLF激光共振泵浦的石墨烯被动调Q Ho:YAG激光器实验研究从晶体发光机理出发,结合速率方程理论,研究了由Tm:YLF激光共振泵浦Ho:YAG激光器的输出特性,并分析这种双晶体激光器热效应对于输出脉冲的影响。利用自制的易用、低损耗、高质量和稳定性的石墨烯可饱和吸收器件,实现了Ho:YAG激光调Q输出。最高输出功率为572m W,脉冲宽度632ns,单脉冲能量13.3μJ,脉冲重复频率为43.2kHz,对应的斜率效率为26.1%。(3)基于石墨烯的Tm：YLF锁模激光器实验研究研究了石墨烯的调制深度、饱和通量和锁模建立时间等重要参数并分析了其对于超快激光的影响。理论分析了锁模激光器对激光啁啾进行色散补偿的方法,并根据实验实际情况设计激光谐振腔,利用CaF2棱镜对对于激光啁啾进行色散补偿。实现了基于石墨烯Tm:YLF锁模激光器,获得了波长为1.908μm,平均功率146.5mW,脉冲宽度473fs,重复率70.2MHz的连续锁模脉冲激光输出。(4)基于体布拉格光栅的波长宽带可调Tm：YAP单频调Q激光器实验研究对基于Kogelnik耦合波理论对反射VBG的衍射模型进行了数值模拟研究,分析了耦合常数、相互作用距离、入射角度、波长等因素对于VBG衍射效率的影响。基于理论研究基础,实现了基于VBG的结构紧凑稳定V型腔Tm:YAP单频调Q激光器,获得了最高平均功率724mW,脉冲重复率96.2kHz,单脉冲能量7.5μJ,激光线宽4.2MHz,中心波长1988.8nm的单频调Q激光输出。提出了的波长可调Z型腔Tmm：YAP石墨烯调Q激光器设计,获得了稳定波长可调脉冲激光输出,详细地研究了石墨烯在波长可调Tmm：YAP激光器中的调Q激光输出特性。激光器波长调谐范围从1965.2nm到2000.7nm(范围35.5nm),最高功率输出为920mW,此时的激光波长为1989.3nm,脉冲宽度为2.1μs,脉冲重复率为91.6kHz,单脉冲能量为10.1μJ。
【关键词】：石墨烯可饱和吸收体 调Q激光器 锁模激光器 体布拉格光栅 单频激光器
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-35
• 1.1 课题的背景及研究的目的和意义11-13
• 1.2 2μm波段激光器的发展状况13-22
• 1.2.1 掺Tm~(3+)固体/光纤激光器13-17
• 1.2.2 掺Ho~(3+)固体/光纤激光器17-20
• 1.2.3 Tm,Ho共掺固体/光纤激光器20-22
• 1.3 新型功能材料石墨烯22-31
• 1.3.1 石墨烯材料的性质及制备方法24-29
• 1.3.2 石墨烯的可饱和吸收原理及其在激光器领域的应用29-31
• 1.4 体布拉格光栅的发展及应用31-33
• 1.5 本论文的主要研究内容33-35
• 第二章 激光纵模选择,调Q和锁模技术35-45
• 2.1 激光纵模35-38
• 2.2 被动调Q技术38-41
• 2.3 锁模技术41-44
• 2.4 本章小结44-45
• 第三章 基于石墨烯的Cr,Tm,Ho：YAG被动调Q激光器理论实验研究45-65
• 3.1 Cr,Tm,Ho：YAG激光器的工作特性分析45-47
• 3.1.1 晶体的光谱特性及能量转移45-46
• 3.1.2 能量转移的时间特性及受温度的影响46-47
• 3.2 Cr：Tm：Ho：YAG激光器实验研究47-59
• 3.2.1 Cr：Tm：Ho：YAG激光器实验装置47-52
• 3.2.2 实验结果与分析52-59
• 3.3 基于石墨烯Cr：Tm：Ho：YAG被动调Q激光器实验研究59-64
• 3.3.1 石墨烯被动调Q Cr：Tm：Ho：YAG激光器实验装置59-60
• 3.3.2 实验结果与分析60-62
• 3.3.3 理论分析和数值模拟62-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第四章 Tm：YLF激光共振泵浦的石墨烯被动调Q Ho：YAG激光器实验研究65-81
• 4.1 Tm：YLF激光器实验研究65-72
• 4.1.1 Tm：YLF晶体特性及发光机制65-67
• 4.1.2 Tm：YLF激光器速率方程67-68
• 4.1.3 Tm：YLF激光器实验装置68-71
• 4.1.4 实验结果与分析71-72
• 4.2 基于石墨烯被动调Q Ho：YAG激光器实验研究72-79
• 4.2.1 Ho：YAG晶体特性及发光机制73-76
• 4.2.2 石墨烯被动调Q Ho：YAG激光器实验装置76-79
• 4.3 本章小结79-81
• 第五章 基于石墨烯Tm：YLF锁模激光器实验研究81-91
• 5.1 石墨烯可饱和吸收特性81-84
• 5.1.1 石墨烯调制深度81-82
• 5.1.2 石墨烯饱和通量82-83
• 5.1.3 石墨烯锁模建立时间83-84
• 5.2 石墨烯锁模Tm：YLF激光器实验研究84-90
• 5.2.1 色散补偿84-86
• 5.2.2 石墨烯锁模Tm：YLF激光器实验装置86-87
• 5.2.3 实验结果与分析87-90
• 5.3 本章小结90-91
• 第六章 基于体光栅的波长宽带可调Tm：YAP单频调Q激光器实验研究91-110
• 6.1 体光栅衍射理论91-99
• 6.1.1 体光栅的特性91-93
• 6.1.2 Kogelnik耦合波理论93-96
• 6.1.3 透射体光栅衍射率96-97
• 6.1.4 反射体光栅衍射率97-98
• 6.1.5 反射体光栅衍射数值模拟98-99
• 6.2 单频调Q Tm：YAP激光器实验研究99-104
• 6.2.1 单频调Q Tm：YAP激光器实验装置99-101
• 6.2.2 实验结果与分析101-104
• 6.3 波长可调Tm：YAP调Q激光器实验研究104-108
• 6.3.1 单频调Q Tm：YAP激光器实验装置104-106
• 6.3.2 实验结果与分析106-108
• 6.4 本章小结108-110
• 第七章 工作总结与展望110-114
• 7.1 工作总结110-112
• 7.2 论文的创新点112-113
• 7.3 工作展望113-114
• 参考文献114-127
• 攻读博士学位期间取得的科研成果127-129
• 致谢129-130

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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7 徐英;周尚武;;国外空军光电对抗装备综述[J];现代军事;2005年10期

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本文编号：259307