Nd：YAG陶瓷激光器的理論和實(shí)驗(yàn)研究以及TiO-,2-隨機(jī)介質(zhì)中光擴(kuò)散的研究.pdf

1、本論文分兩個(gè)部分，一部分是Nd：YAG陶瓷激光器的理論和實(shí)驗(yàn)研究；另一部分是TiO2隨機(jī)介質(zhì)中的光擴(kuò)散特性研究。 在固體激光器領(lǐng)域，Nd：YAG單晶材料以其高增益、低閾值、熱特性和機(jī)械性能優(yōu)良而迅速成為應(yīng)用最為廣泛的固體激光增益介質(zhì)。但是由于YAG單晶是用提拉法生長(zhǎng)的，成本高，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，摻雜濃度低，使它的應(yīng)用受到一定的限制。激光陶瓷是一種由細(xì)小、緊密填充的晶粒構(gòu)成的馬賽克結(jié)構(gòu)，該材料除具有陶瓷的多晶體性質(zhì)外，采用真空燒結(jié)方法制

2、備的激光陶瓷還展現(xiàn)出非常接近單晶的透明性和熱機(jī)械特性。Nd：YAG激光陶瓷不僅具有與Nd：YAG單晶幾乎相同的熱導(dǎo)率、吸收光譜、熒光光譜和熒光壽命，而且相對(duì)于單晶材料還有制作簡(jiǎn)單、成本低、可以生長(zhǎng)大尺寸材料、機(jī)械特性良好、摻雜濃度高、多功能性以及可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。由于光學(xué)陶瓷材料彌補(bǔ)了單晶的很多不足，Nd：YAG陶瓷材料很有希望成為同單晶Nd：YAG一樣廣泛應(yīng)用的固體激光增益介質(zhì)。 目前有很多科研人員致力于陶瓷材料和陶瓷激光器

3、的研究，已經(jīng)取得了很多成果。日本的研究人員在開(kāi)發(fā)陶瓷增益介質(zhì)和陶瓷激光器方面作出了杰出的貢獻(xiàn)，居世界領(lǐng)先地位。俄羅斯、美國(guó)、德國(guó)、羅馬尼亞、英國(guó)、新加坡、印度和西班牙等國(guó)家的研究者都在積極地參與陶瓷激光器的研究。在中國(guó)大陸，山東大學(xué)、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、清華大學(xué)、四川大學(xué)也在積極地參與陶瓷激光器的研究工作，在理論和實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)取得了一些研究成果。 速率方程是研究激光器特性的有效理論工具?？紤]腔內(nèi)激光及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度空間分布的

4、四能級(jí)調(diào)Q激光器的速率方程組已有詳細(xì)分析并被廣泛引用。目前還沒(méi)有考慮激光下能級(jí)再吸收以及腔內(nèi)激光和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度空間分布的準(zhǔn)三能級(jí)主動(dòng)調(diào)Q激光器速率方程組。 光子局域化是電子局域化的光子學(xué)類比，是指散射介質(zhì)中多重散射波的干涉效應(yīng)使得光在其中的傳播受到抑制。通過(guò)測(cè)量超短激光脈沖在隨機(jī)樣品中擴(kuò)散過(guò)程的時(shí)間進(jìn)化，可以得到光在該樣品中的光子局域化程度，因而隨機(jī)介質(zhì)的光擴(kuò)散時(shí)域研究成為研究光子局域化的一個(gè)重要方法。 本論文中，對(duì)N

5、d：YAG陶瓷激光器的進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)超短脈沖在TiO2隨機(jī)介質(zhì)的光擴(kuò)散特性進(jìn)行了研究。研究?jī)?nèi)容主要有： 1．進(jìn)行了LD端面泵浦輸出波長(zhǎng)為1064 nm的Nd：YAG陶瓷激光器的實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)研究了在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q下的激光輸出特性。并與相同實(shí)驗(yàn)條件下的1064 nm單晶Nd：YAG激光器進(jìn)行了比較。Nd：YAG陶瓷激光器獲得了比Nd：YAG單晶激光器略微好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2．進(jìn)行了LD端面泵浦輸出波長(zhǎng)

6、為946 nm的主動(dòng)調(diào)Q Nd：YAG陶瓷激光器的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)泵浦源為纖芯直徑為600μm的光纖耦合LD，輸入泵浦功率為17．4 W，脈沖重復(fù)率為50 kHz時(shí)，獲得了平均功率為2．6 W的946 nm激光輸出。 3．在速率方程組中考慮激光下能級(jí)再吸收以及腔內(nèi)激光和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的空間分布，得到了準(zhǔn)三能級(jí)主動(dòng)調(diào)Q激光器的速率方程組。引入了一組綜合參量，得到準(zhǔn)三能級(jí)主動(dòng)調(diào)Q激光器的歸一化速率方程。通過(guò)數(shù)值求解該速率方程，得到了一組

7、普適曲線，這些曲線不僅表明了歸一化的主動(dòng)調(diào)Q脈沖參量與這些綜合參量之間關(guān)系，還可以用來(lái)估計(jì)任何一個(gè)LD泵浦或閃光燈泵浦的的準(zhǔn)三能級(jí)主動(dòng)調(diào)Q激光器的輸出脈沖參量。用該理論對(duì)946nm的主動(dòng)調(diào)Q Nd：YAG陶瓷激光器進(jìn)行理論計(jì)算，得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致符合。 4．在考慮激光下能級(jí)再吸收以及腔內(nèi)激光和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度空間分布的準(zhǔn)三能級(jí)被動(dòng)調(diào)Q激光器速率方程組中，引入一組綜合參量，獲得了準(zhǔn)三能級(jí)被動(dòng)調(diào)Q激光器的歸一化速率方程。通過(guò)

8、數(shù)值求解該歸一化速率方程，得到一組普適曲線，這些曲線不僅表明了歸一化的被動(dòng)調(diào)Q脈沖參量與這些綜合參量之間關(guān)系，還可以用來(lái)估計(jì)許多LD泵浦或閃光燈泵浦的準(zhǔn)三能級(jí)被動(dòng)調(diào)Q激光器的輸出脈沖參量。用該理論對(duì)946 nm的被動(dòng)調(diào)Q Nd：YAG陶瓷激光器進(jìn)行理論計(jì)算，得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致符合。 5．進(jìn)行了以TiO2納米顆粒的懸浮液為隨機(jī)介質(zhì)的532 nm超短激光脈沖的光擴(kuò)散研究，激光脈沖寬度為60 ps，脈沖重復(fù)率為10 Hz，由

9、條紋相機(jī)測(cè)量了透過(guò)隨機(jī)樣品后光脈沖的時(shí)間特性曲線，通過(guò)理論擬合得到光擴(kuò)散常數(shù)，研究了光擴(kuò)散常數(shù)隨樣品濃度的變化關(guān)系，擴(kuò)散常數(shù)隨著TiO2納米顆粒在懸浮液中濃度的增加而減小。 6．進(jìn)行了以TiO2納米顆粒為隨機(jī)介質(zhì)的800 nm超短激光脈沖的光擴(kuò)散研究，激光脈沖寬度為10 ps，脈沖重復(fù)率為100 Hz，由數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量得到透過(guò)隨機(jī)樣品后光脈沖的時(shí)間特性曲線，當(dāng)TiO2納米顆粒在隨機(jī)樣品中的濃度達(dá)到1．36×1015 cm-3

10、時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與光擴(kuò)散理論結(jié)果出現(xiàn)偏離，說(shuō)明開(kāi)始出現(xiàn)弱光子局域化現(xiàn)象。 本論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： 1．首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦946 nm主動(dòng)調(diào)Q Nd：YAG陶瓷激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)泵浦源為纖芯直徑為600μm的光纖耦合LD，輸入泵浦功率為17．4 W，脈沖重復(fù)率為50 kHz時(shí)，獲得了平均功率為2．6 W的946 nm激光輸出。 2．在速率方程中考慮激光下能級(jí)的再吸收以及腔內(nèi)激光和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的空間分布，首次得到

11、了準(zhǔn)三能級(jí)主動(dòng)調(diào)Q激光器的速率方程組。引入了一組綜合參量，得到準(zhǔn)三能級(jí)主動(dòng)調(diào)Q激光器的歸一化速率方程。通過(guò)數(shù)值求解該速率方程，得到了一組普適曲線，這些曲線不僅表明了歸一化的主動(dòng)調(diào)Q脈沖參量與這些綜合參量之間關(guān)系，還可以用來(lái)估計(jì)任何一個(gè)LD泵浦或閃光燈泵浦的的準(zhǔn)三能級(jí)主動(dòng)調(diào)Q激光器的輸出脈沖參量。用該理論對(duì)946 nm的主動(dòng)調(diào)Q Nd：YAG陶瓷激光器進(jìn)行理論計(jì)算，得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致符合。 3．在考慮激光下能級(jí)的再吸收以

12、及腔內(nèi)激光和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度空間分布的準(zhǔn)三能級(jí)被動(dòng)調(diào)Q激光器速率方程組中，引入一組綜合參量，首次獲得了準(zhǔn)三能級(jí)被動(dòng)調(diào)Q激光器的歸一化速率方程組。通過(guò)數(shù)值求解該歸一化速率方程，得到一組普適曲線，這些曲線不僅表明了歸一化的被動(dòng)調(diào)Q脈沖參量與這些綜合參量之間關(guān)系，還可以用來(lái)估計(jì)許多LD泵浦或閃光燈泵浦的被動(dòng)調(diào)Q激光器的輸出脈沖參量。用該理論對(duì)946 nm的被動(dòng)調(diào)Q Nd：YAG陶瓷激光器進(jìn)行理論計(jì)算，得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致符合。