連續(xù)及被動(dòng)調(diào)Q脈沖銩鈥共摻釩酸鹽激光器特性研究.pdf

1、以可飽和吸收體為 Q開(kāi)關(guān)的中紅外2μm波段被動(dòng)調(diào) Q脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) Tm/Ho固體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、輸出脈沖短、峰值功率高，其輸出波長(zhǎng)處于人眼安全譜帶和大氣透明窗口，在材料加工、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、金屬痕量檢測(cè)、環(huán)境遙感探測(cè)、醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。本論文以獲得高效率、高能量、短脈寬的穩(wěn)定2μm被動(dòng)調(diào) Q脈沖激光輸出作為出發(fā)點(diǎn)，從理論和實(shí)驗(yàn)方面詳細(xì)研究了液氮制冷條件下 Tm,Ho共摻釩酸鹽(Tm,Ho:YVO4和Tm,Ho:

2、GdVO4)激光晶體的連續(xù)波激光特性，并以Cr2+:ZnS晶體作為可飽和吸收體，對(duì)比研究了Tm,Ho:YVO4和Tm,Ho:GdVO4激光器的被動(dòng)調(diào) Q性能，最終實(shí)現(xiàn)了高效率、較高能量、較短脈寬的穩(wěn)定調(diào) Q脈沖激光輸出。
　　簡(jiǎn)單對(duì)比了2μm摻 Tm3+/Ho3+激光晶體的特點(diǎn)，對(duì)連續(xù)波 Tm,Ho共摻釩酸鹽激光器和被動(dòng)調(diào) Q脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) Tm3+/Ho3+激光器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹和分析，給出了Tm,Ho共摻釩酸鹽晶體

3、的優(yōu)勢(shì)及各種可飽和吸收體的特點(diǎn)，明確了以Cr2+:ZnS晶體作為可飽和吸收體的Tm,Ho共摻釩酸鹽被動(dòng)調(diào) Q激光器的優(yōu)勢(shì)和研究潛力。對(duì)連續(xù)和被動(dòng)調(diào) Q脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) Tm,Ho共摻釩酸鹽激光器進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究。根據(jù)測(cè)量的Tm,Ho:YVO4和Tm,Ho:GdVO4晶體的熒光光譜，計(jì)算了晶體在2μm附近的受激發(fā)射截面；根據(jù) Tm,Ho共摻激光系統(tǒng)的能級(jí)躍遷機(jī)制，建立了描述 Tm,Ho共摻激光系統(tǒng)的準(zhǔn)四能級(jí)速率方程模型，以Tm,Ho:YVO4

4、晶體為例，分析了晶體溫度與晶體參數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對(duì)準(zhǔn)四能級(jí)速率方程進(jìn)行了數(shù)值求解，討論了泵浦光與諧振腔振蕩光的模式匹配、輸出鏡透過(guò)率、協(xié)作上轉(zhuǎn)換損耗、晶體摻雜濃度比和晶體工作溫度等參數(shù)對(duì)激光器輸出特性的影響。建立了描述被動(dòng)調(diào) Q激光器的理論模型，通過(guò)對(duì)速率方程的求解，模擬了被動(dòng)調(diào) Q激光器的脈沖形成過(guò)程，討論了諧振腔振蕩光斑、泵浦光斑、輸出鏡透過(guò)率等參數(shù)對(duì)被動(dòng)調(diào) Q激光器輸出脈寬和能量的影響。除此之外，基于熱傳導(dǎo)方程建立了激光晶體的

5、溫度、應(yīng)力分布模型，分析了低溫制冷下晶體內(nèi)不同位置處溫度和應(yīng)力分布情況；利用 ABCD矩陣?yán)碚摚治隽思す馄髦C振腔的穩(wěn)定性和晶體中心光斑與諧振腔長(zhǎng)、端鏡曲率的關(guān)系，為設(shè)計(jì)連續(xù)及被動(dòng)調(diào) Q脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的光學(xué)諧振腔以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析提供理論依據(jù)。
　　從實(shí)驗(yàn)上詳細(xì)研究了Tm,Ho:YVO4和Tm,Ho:GdVO4激光器在連續(xù)及被動(dòng)調(diào) Q脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的輸出特性。通過(guò)改變輸出鏡位置及諧振腔腔鏡曲率從實(shí)驗(yàn)上分析了模式匹配、諧振腔長(zhǎng)、輸出鏡透過(guò)

6、率等參數(shù)對(duì)Tm,Ho:YVO4激光器輸出功率、效率的影響，并利用光譜數(shù)據(jù)計(jì)算了不同反轉(zhuǎn)粒子數(shù)比率下晶體的增益系數(shù)，從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了不同輸出鏡透過(guò)率下 Tm,Ho:YVO4晶體的輸出激光光譜；以Cr2+:ZnS晶體作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)調(diào) Q Tm,Ho:YVO4激光器的脈沖輸出，從實(shí)驗(yàn)上細(xì)致分析了可飽和吸收體上的光斑、激光晶體光斑、輸出鏡透過(guò)率，以及諧振腔長(zhǎng)等參數(shù)與被動(dòng)調(diào) Q激光器的平均功率、脈沖寬度、能量、峰值功率等輸出參數(shù)的

7、關(guān)系。除此之外，利用 Cr2+:ZnS晶體作為可飽和吸收體，研究了Tm,Ho:GdVO4激光器的被動(dòng)調(diào)Q性能，并與相同腔型的Tm,Ho:YVO4激光器的輸出特性進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)相同條件下，被動(dòng)調(diào)Q Tm,Ho:GdVO4激光器能夠獲得更窄的脈寬、更高的能量和峰值功率；進(jìn)一步通過(guò)泵浦光斑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了被動(dòng)調(diào) Q Tm,Ho:GdVO4激光器的輸出脈沖重復(fù)頻率，獲得了37.7ns脈寬、0.53mJ單脈沖能量、14kW峰值功率的輸出脈