能量上轉(zhuǎn)換對摻Nd3+準(zhǔn)三能級脈沖激光性能影響的研究.pdf

1、三價釹(Nd3+)離子中的準(zhǔn)三能級躍遷產(chǎn)生的~900 nm激光，在國防、醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值，經(jīng)過倍頻產(chǎn)生的藍(lán)光激光可以應(yīng)用于水下探測、激光復(fù)印和生物醫(yī)療等方面。雖然近些年來~900 nm和藍(lán)光激光器得到了極大的發(fā)展，但高重復(fù)頻率~900 nm激光器的輸出性能仍與應(yīng)用需求指標(biāo)存在巨大的差距。通過對比不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的摻Nd3+準(zhǔn)三能級激光器的研究進展，分析限制激光器性能提升的主要因素，指出其中亟需解決的關(guān)鍵問題。Nd3+離子中的

2、準(zhǔn)三能級躍遷的受激發(fā)射截面較小，使其易受能量上轉(zhuǎn)換等非線性效應(yīng)的影響。鑒于此，本論文主要針對能量上轉(zhuǎn)換效應(yīng)及其對摻Nd3+準(zhǔn)三能級脈沖激光器的影響進行研究。
　　通過對Nd3+離子的能級結(jié)構(gòu)的研究得到其中的具體能量轉(zhuǎn)換過程，建立了包含能量上轉(zhuǎn)換和交叉馳豫的二能級吸收速率方程模型。在此基礎(chǔ)上，研究能量上轉(zhuǎn)換對激光參量的影響，提出一種裝置簡單、精度高的測量能量上轉(zhuǎn)換系數(shù)的方法。首先，實驗獲得了模型中的其他未知晶體參量—吸收截面和交叉弛

3、豫系數(shù)的大小：室溫下Nd:YAG晶體的峰值吸收截面為6.8±0.2×10-20cm2，隨溫度的升高而減?。唤徊骜Y豫系數(shù)大小為3×10-18cm3/s，不隨溫度變化而改變。利用鈦寶石激光器作為泵浦源搭建z-scan實驗平臺，獲得晶體透過率與入射泵浦光強間的關(guān)系，通過對比實驗數(shù)據(jù)和理論模擬結(jié)果，得到了室溫下1.0at.％ Nd:YAG的能量上轉(zhuǎn)換系數(shù)為4.7±0.5×10-17 cm3/s，詳細(xì)研究了能量上轉(zhuǎn)換系數(shù)的溫度和濃度變化特性，對比

4、了不同摻雜基質(zhì)中的能量上轉(zhuǎn)換系數(shù)大小，為全面分析能量上轉(zhuǎn)換對激光器性能的影響提供了可靠依據(jù)。
　　為理論研究摻Nd3+準(zhǔn)三能級脈沖激光器的輸出性能，將能量上轉(zhuǎn)換考慮到反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的積聚方程中，建立包含腔內(nèi)光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)空間分布、能量上轉(zhuǎn)換和基態(tài)再吸收效應(yīng)的準(zhǔn)三能級主動調(diào)Q速率方程理論模型，分析不同泵浦條件下基態(tài)再吸收和能量上轉(zhuǎn)換對腔內(nèi)光子輸出性能的影響。實驗研究了主動調(diào)QNd:YAG946 nm激光器，得到了與理論模擬相

5、吻合的實驗結(jié)果，驗證了理論模型的可行性。基于上述理論模型，通過引入被動調(diào)Q器件參量，分析被動調(diào)Q激光器中的再吸收損耗和可飽和吸收體對激光輸出性能的影響。針對能量上轉(zhuǎn)換效應(yīng)對晶體能級壽命的影響，通過優(yōu)化諧振腔和可飽和吸收體參量，分別利用Nd:YAG和Nd:YVO4實現(xiàn)了高性能的~900 nm脈沖激光輸出。被動調(diào)Q946 nm激光器的輸出峰值功率達(dá)到31.4kW，最窄脈沖寬度為8.3 ns。利用Nd:YVO4/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器

6、，實現(xiàn)了兆赫茲脈沖914 nm激光輸出，工作重復(fù)頻率達(dá)到2 MHz，平均功率為3.8W，該結(jié)果是首次報道的兆赫茲900 nm激光器。
　　為了進一步優(yōu)化~900 nm激光器的輸出性能，研究了新型Nd:LuVO4晶體的準(zhǔn)三能級激光輸出特性。通過對晶體長度、泵浦束腰光斑半徑和輸出鏡透過率等參量的優(yōu)化，將報道的916 nm激光器輸出效率提高了1.7倍。根據(jù)測得的晶體能量上轉(zhuǎn)換系數(shù)，理論模擬并優(yōu)化了被動調(diào)Q916 nm激光器的輸出性能，利

7、用Cr4+:YAG晶體實現(xiàn)了高重頻的916 nm脈沖激光輸出，最高工作頻率達(dá)到730 kHz，最高平均輸出功率為0.85W，最窄輸出脈寬為30.8 ns。為解決限制激光器功率提升的熱效應(yīng)問題，采用非穩(wěn)腔技術(shù)對晶體內(nèi)的熱透鏡效應(yīng)進行補償，20 kHz916 nm脈沖激光器的最高平均功率可以達(dá)到0.86W。通過腔外倍頻技術(shù)首次實現(xiàn)了脈沖458 nm藍(lán)光激光輸出，脈沖藍(lán)光平均輸出功率達(dá)到144 mW，在f=5 kHz時，脈沖458 nm激光器