人眼安全激光器及超連續(xù)譜研究.pdf

1、波長在1.4-2.1μm波段的激光該具有較高的水吸收系數(shù)，當該波段激光輻射人眼時，對人眼的損傷閾值較高，因而該波段激光具有人眼安全特性。人眼安全波段激光在激光雷達、激光測距、激光醫(yī)學、光通訊和泵浦源等領域具有重要的應用。直接泵浦不同離子摻雜的激光介質而獲得人眼安全激光器是目前為止最為簡潔的方法，如泵浦摻Er激光增益介質可以獲得1.5-1.6μm波段的人眼安全激光輸出，同樣1.9-2.1μm人眼安全激光可以通過泵浦摻Ho和Tm的激光增益介

2、質得到。另外泵浦摻Nd激光增益介質可以得到1.4μm波段人眼安全激光器，前兩者目前已經得到廣泛的研究，但是由于受激發(fā)射截面小及離子效率較差等原因，泵浦摻Nd激光增益介質而獲得1.4μm波段人眼安全激光僅有少量的報道。由于固體激光器依靠晶體摻雜離子的能級躍遷而產生受激輻射，輸出激光波長受能級躍遷的限制，因此為滿足人們對新頻率激光的不斷需求，非線性頻率變換技術成了獲得新波段激光的有效手段。
　　受激拉曼散射(Stimulated Ra

3、man Scattering，SRS)是一種在現(xiàn)有頻率基礎上拓展新頻率成分激光的的重要方法。新激光的頻率取決于泵浦光的頻率和由拉曼介質決定的拉曼頻移，因此通過合理的組合泵浦光波長和拉曼介質頻移，可獲得從紫外到近紅外的拉曼散射。同時，固體拉曼激光具有體積小、效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。而受到廣泛的關注。
　　有時為了滿足很多領域對特定激光波段的要求，單一的非線性效應很難滿足要求，此時多種非線性效應共同作用而產生新的頻率成分成為一種選擇。

4、超連續(xù)光譜是多種非線性效應如自相位調制(Self phase modulation， SPM)、交叉相位調制(Cross phase modulation，XPM)、四波混頻(Four wave mixing，F(xiàn)WM)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)等共同作用下而產生包含多種頻率成分的激光。其具有光譜覆蓋范圍廣，輸出功率高、空間相干性強等特性。是目前為止獲取新頻率激光最為有效的手段之一。<

5、br>　　本論文中，主要研究了三個方面的內容:一是LD泵浦不同基質的摻Nd激光增益介質，獲得1.4μm人眼安全激光研究;二是以1.4μm人眼安全激光為基頻光，使用不同的拉曼介質，獲得新波段的人眼安全拉曼激光輸出;三是利用皮秒激光泵浦不同種類的光子晶體光纖產生超連續(xù)譜的研究。具體的研究內容如下:
　　1.研究了端面泵浦Nd∶YAG陶瓷1442.8nm人眼安全激光輸出特性。泵浦功率為20.3W時，最大輸出功率為3.96W，對應的光光轉

6、換效率為19.1％。
　　2.研究了端面泵浦Nd∶GGG1423.4nm人眼安全激光輸出特性。最大輸出功率達到3.63W，光光轉換效率和斜效率分別是19.6％和26％。
　　3.以Nd∶KLu(WO4)2做為激光增益介質，首次實現(xiàn)了1425nm人眼安全的激光輸出，最大輸出功率達到1.57W,此時泵浦功率為9.6W，對應的光光轉換效率為16.4％。
　　4.研究了不同調Q開關條件下，Nd∶YAG陶瓷1.4μm被動調Q激光

7、器的輸出特性。利用V3+∶YAG作被動調Q開關，實現(xiàn)了平均功率高達1.53W的1.4μm激光輸出，這是目前為止最大1.4μm調Q激光輸出功率;利用Co∶LMA做被動調Q開關，輸出激光的單脈沖能量為53μJ;用石墨烯做可飽和吸收體時，實現(xiàn)了脈沖寬度為610 ns的激光輸出。
　　5.研究了以BaWO4做拉曼介質，內腔式1.6μm人眼安全拉曼激光器的激光輸出特性。泵浦功率為20.3W、脈沖重復率為5kHz時，獲得1666nm人眼安全拉

8、曼激光的最大平均輸出功率為1.21W，對應的從808nm泵浦光到1666nm拉曼光的光光轉換效率為6％。其中1.21W是目前為止主動調Q內腔1.6μm人眼安全激光器的最大輸出功率。
　　6.研究了以YVO4做拉曼介質，內腔式1.6μm人眼安全拉曼激光器的激光輸出特性。泵浦功率為19.6W、脈沖重復率為20kHz時，獲得1656.4nm人眼安全拉曼激光的最大平均輸出功率為651mW，對應的光光轉換效率為3.3％。
　　7.研究

9、了以SrWO4做拉曼介質時，1664nm拉曼激光器的輸出特性。當泵浦功率為27.7W、脈沖重復頻率為25kHz時，獲得的最大平均功率為1.16W，對應的光光轉換效率為4.2％。最大單脈沖能量和峰值功率分別是46.6μJ和9.3kW。其中9.3kW的峰值功率是主動調Q內腔1.6μm人眼安全激光器的最大峰值功率。
　　8.研究了1501nm和1526nm雙波長人眼安全激光器的輸出特性。以SrWO4做拉曼介質，在泵浦功率33.3W、脈沖

10、重復頻率為30kHz時，得到了3.36W的拉曼激光輸出，光光轉換效率達到10％，其中3.36W是1.5微米人眼安全激光器的最大輸出功率。
　　9.開展了皮秒脈沖激光器泵浦單零色散點光子晶體光纖產生超連續(xù)譜的研究。在泵浦功率為12W時，獲得了2.8W的超連續(xù)譜輸出，光譜帶寬為1250nm(750-2000nm)，超連續(xù)譜的光譜功率密度為2.24mW/nm。
　　10.開展了皮秒脈沖激光器泵浦雙零色散點光子晶體光纖產生超連續(xù)譜的

11、研究。在泵浦功率為10W時，輸出超連續(xù)譜功率為1.09W，對應的光光轉換效率為10.9％。光譜覆蓋范圍為750-1600nm，長波范圍(1350-1550nm)的平坦度為12dB。
　　11.開展了皮秒脈沖激光器泵浦級聯(lián)光子晶體光纖產生超連續(xù)光譜研究。光譜覆蓋范圍為900-1700nm（帶寬800nm），長波長方向在1070-1600nm光譜平坦度為3dB。光譜平坦度6dB的光譜覆蓋范圍是（960-1650nm，帶寬690nm）。

12、這是目前為止最平坦的超連續(xù)譜輸出。
　　本論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　1.首次利用Nd∶YAG陶瓷介質實現(xiàn)了1442.8nm人眼安全激光輸出，最大輸出功率為3.96W，對應的光光轉換效率為19.1％。
　　2.首次利用Nd∶GGG晶體實現(xiàn)了1423.4nm人眼安全激光輸出，最大輸出功率為3.63W，對應的光光轉換效率為19.6％，這是目前為止1.4微米人眼安全激光器的最大轉換效率。
　　3.首次在Nd∶KLu(W

13、O4)2中獲得了1425nm人眼安全激光輸出。最大輸出功率達到1.57W,此時泵浦功率為9.6W，對應的光光轉換效率為16.4％。
　　4.首次用石墨烯做飽和吸收體，研究了石墨烯調Q的1.4微米人眼安全激光器的輸出特性，獲得脈沖寬度為610 ns的激光脈沖。
　　5.首次實現(xiàn)了內腔泵浦的BaWO4人眼安全1666nm拉曼激光運轉。最大平均輸出功率為1.21W，對應的光光轉換效率為6％。其中1.21W是目前為止主動調Q內腔1.

14、6μm人眼安全激光器的最大輸出功率，6％是最大的光光轉換效率。
　　6.首次實現(xiàn)了內腔泵浦的YVO4人眼安全1657nm拉曼激光運轉，泵浦功率為19.6W、脈沖重復率為20kHz時，獲得1656.4nm人眼安全拉曼激光的最大平均輸出功率為651mW，對應的光光轉換效率為3.3％。
　　7.首次實現(xiàn)了內腔泵浦的SrWO4人眼安全1664nm拉曼激光運轉，獲得最大單脈沖能量和峰值功率分別是46.6μJ和9.3kW。其中9.3kW