新型摻釹釩酸鹽與硅酸鹽晶體光譜及全固態(tài)激光特性研究.pdf

1、作為激光器的核心部件，激光材料一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于良好的光學(xué)特性、機(jī)械特性以及穩(wěn)定的化學(xué)特性，釹摻雜的釩酸鹽和硅酸鹽晶體成為兩大類(lèi)比較重要的激光增益介質(zhì)。對(duì)于釩酸鹽晶體來(lái)說(shuō)(Nd∶YVO4，Nd∶LuVO4和Nd∶GdVO4)，因?yàn)槠鋬?nèi)部摻雜的釹離子具有較大的吸收截面和受激發(fā)射截面，從而使得該類(lèi)晶體成為中小功率全固態(tài)激光器的首選。然而，大的受激發(fā)射截面和相對(duì)較短的上能級(jí)壽命限制了該類(lèi)材料在中小功率脈沖激光器中的應(yīng)用。為了解決這一難

2、題，近幾年生長(zhǎng)出了摻釹釩酸鹽“混晶”（主要是Nd∶GdY1-xVO4、Nd∶LuxGd1-xVO4和Nd∶LuxY1-xVO4）。研究證明，在該類(lèi)“混晶”中基質(zhì)不同陽(yáng)離子的相互取代使得釹離子的受激發(fā)射截面減小且上能級(jí)壽命增長(zhǎng)，相應(yīng)的使得其能量存儲(chǔ)能力增強(qiáng)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是此類(lèi)“混晶”中釹激活離子發(fā)射光譜的非均勻展寬，然而對(duì)于非均勻展寬的的直接測(cè)量國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)任何報(bào)道。針對(duì)這一研究空白，本論文第二章對(duì)上述三種釩酸鹽混晶中

3、（GdxY1-xVO4，LuGd1-xVO4和LuxY1-xVO4）釹離子發(fā)射光譜的非均勻展寬情況進(jìn)行了直接研究。結(jié)果表明，由于基質(zhì)中相同晶格內(nèi)不同陽(yáng)離子的相互占據(jù)，“混晶”光譜有了明顯的非均勻展寬。而這種展寬對(duì)于調(diào)Q和鎖模脈沖激光器來(lái)說(shuō)都是非常有益的。另外，根據(jù)我們測(cè)得的不同溫度光譜發(fā)現(xiàn)，隨著溫度增加發(fā)射譜變寬且發(fā)射峰均出現(xiàn)紅移。在低溫77K下，通過(guò)與常規(guī)釹釩酸鹽晶體(Nd∶YVO4，Nd∶LuVO4和Nd∶GdVO4)半峰寬的比較，

4、可以直接得到每種組分配比的非均勻展寬量。對(duì)三個(gè)系列的釩酸鹽混晶來(lái)說(shuō)，最大的非均勻展寬和最長(zhǎng)的能級(jí)壽命分別來(lái)自Nd∶Gd0.63Y0.37VO4、Nd∶Lu0.5Gd0.5VO4以及Nd∶Lu0.61Y0.39VO4。通過(guò)首次對(duì)非均勻展寬效應(yīng)的直接測(cè)量，可以確信基質(zhì)陽(yáng)離子相互取代是一種用來(lái)調(diào)節(jié)激活離子發(fā)射特性從而滿(mǎn)足不同激光需求的有效技術(shù)手段。
　　近年來(lái)，大量的激光實(shí)驗(yàn)都證明Nd∶GdxY1-xVO4和Nd∶LuxGd1-xVO4

5、晶體脈沖能量增強(qiáng)效應(yīng)和更短脈沖鎖模特性。本文結(jié)合直接測(cè)量的光譜非均勻展寬特性發(fā)展了新型Nd∶LuxY1-xVO4晶體，并在第三章系統(tǒng)全面地研究了該系列晶體的調(diào)Q、鎖模以及自受激拉曼激光特性。在調(diào)Q脈沖激光實(shí)驗(yàn)中，用c切Nd∶Lu0.1Y0.9VO4晶體得到了脈寬為1.9ns、能量為104.7μJ以及峰值功率為55.1kW的1.06μm被動(dòng)調(diào)Q脈沖輸出。用a切Nd∶Lu0.1Y0.9VO4晶體得到脈寬為23.8ns，脈沖能量為124μJ以

6、及峰值功率5.21kW的1.3μm聲光調(diào)Q脈沖輸出。本章也首次實(shí)現(xiàn)了該系列晶體的聲光自拉曼激光輸出，用半徑為800μm的大光斑激光二極管作為泵浦源有效減小了激光和拉曼過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)。結(jié)合c切晶體大的能量存儲(chǔ)能力最終得到1175nm拉曼激光結(jié)果為:101μJ脈沖能量，1.3ns脈沖寬度和78kW峰值功率。通過(guò)比較a切Nd∶LuxY1-xVO4系列晶體的聲光自拉曼激光輸出結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2.3W的最大輸出功率來(lái)自具有較大熱導(dǎo)率的Nd∶Lu0.

7、26Y0.74VO4晶體。除此之外，本章也研究了該系列晶體的鎖模激光特性，最短的鎖模脈寬來(lái)自光譜最寬的組分(x=0.61)，這也間接地證明了Nd∶Lu0.61Y0.39VO4晶體中釹離子最強(qiáng)的非均勻展寬效應(yīng)。
　　對(duì)于硅酸鹽晶體的研究，之前主要是集中在閃爍晶體和鐿離子摻雜上。近年來(lái)由于該類(lèi)晶體的各向異性激光發(fā)射特性，釹激活離子摻雜的研究也頻繁出現(xiàn)。然而，目前的研究還停留在基礎(chǔ)工作，包括材料的生長(zhǎng)、非偏振發(fā)射譜的測(cè)量、單一切向激光輸

8、出等。對(duì)其偏振光譜、各向異性發(fā)射及應(yīng)用方面研究甚少。針對(duì)這樣的研究現(xiàn)狀，本文第四章通過(guò)測(cè)量不同折射率主軸方向的偏振發(fā)射譜，首次計(jì)算了Nd∶LYSO晶體受激發(fā)射截面的空間分布;并利用受激發(fā)射截面很好地解釋了該晶體的各向異性激光輸出，提出利用低對(duì)稱(chēng)性晶體不同切向發(fā)射特性的差異來(lái)滿(mǎn)足不同實(shí)際需要。利用該晶體雙波長(zhǎng)輸出特性，結(jié)合新型可飽和吸收材料石墨烯的寬波段調(diào)制特性成功實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)同步調(diào)Q激光輸出。所得到的最大脈沖平均輸出功率為1.8W，單脈

9、沖能量為11.3μJ，峰值功率為118W。比光纖激光器中相應(yīng)結(jié)果大2～4個(gè)數(shù)量級(jí)，這也是目前石墨烯應(yīng)用于全固態(tài)激光器中的最好輸出結(jié)果。良好的的脈沖輸出特性已能實(shí)現(xiàn)腔外非線(xiàn)性和頻，這不但說(shuō)明得到的雙波長(zhǎng)在時(shí)域上是同步的，另一方面也有助于石墨烯的進(jìn)一步實(shí)用化。
　　利用Nd∶LYSO晶體作為激光增益介質(zhì)，我們?cè)诤?jiǎn)單緊湊的兩鏡腔內(nèi)觀(guān)察到了連續(xù)和脈沖光漩渦激光輸出，詳見(jiàn)本論文第五章。這是國(guó)際上首次直接產(chǎn)生光漩渦（沒(méi)用任何其他輔助光學(xué)元件）

10、。隨著泵浦功率的增加，脈沖光漩渦的脈沖能量維持相對(duì)穩(wěn)定但是其軌道角動(dòng)量是增加的。用柱透鏡對(duì)組成模式轉(zhuǎn)換器，將得到的LG模式光漩渦轉(zhuǎn)化為HG模式輸出，從而確定我們得到的是LG01和LG02模式的光漩渦。為了更明確光漩渦的產(chǎn)生過(guò)程和變化原因，用量子虧損更嚴(yán)重的1.36μm的激光輸出來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果高階LG模式出現(xiàn)得更早且最終得到了更高階的LG10模激光。結(jié)合在1.08μm的光漩渦輸出情況我們初步進(jìn)行了解釋:在連續(xù)激光運(yùn)轉(zhuǎn)下，熱透鏡效應(yīng)使得振

11、蕩光模式半徑變小，然后通過(guò)與泵浦光的模式匹配來(lái)進(jìn)行輸出激光模式的選擇。在脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)中，除了熱透鏡效應(yīng)之外還有高功率密度所引進(jìn)的非線(xiàn)性效應(yīng)，這就更加加劇了光漩渦的產(chǎn)生，因此在脈沖激光中可以較早地得到光漩渦。此外，在1.36μm的被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)中，我們所用的可飽和吸收體為石墨烯，該過(guò)程證實(shí)石墨烯在對(duì)激光進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)不影響拓?fù)潆姾傻淖兓?，可以作為光漩渦脈沖調(diào)制器件。本章研究的這種結(jié)構(gòu)緊湊、軌道角動(dòng)量可連續(xù)改變的光漩渦激光脈沖將在很多領(lǐng)域有潛