高性能固體染料激光介質(zhì)研制及可調(diào)諧激光輸出特性研究.pdf

1、染料激光器因調(diào)諧范圍寬、效率高等優(yōu)點，在科研、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)液體染料激光器由于染料溶液循環(huán)冷卻系統(tǒng)龐大、染料和溶劑有毒易燃、需定期更換和清洗循環(huán)系統(tǒng)容器和管道等缺點，大大限制了它們的應(yīng)用。相比之下，固體染料激光器在保留了前者泵浦方式多樣、調(diào)諧范圍寬等優(yōu)點的同時，還具有全固化、體積小、重量輕、使用及保存方便以及成本低等優(yōu)點，因此研究固體染料激光器具有非常重要的意義。
　　為突破目前固體染料激光器研究尚停留在

2、小能量激光泵浦范圍的現(xiàn)狀。本文首先對固體染料激光介質(zhì)及可調(diào)諧染料激光器的發(fā)展狀況做了系統(tǒng)的介紹和分析。在染料分子光降解機理、固體基質(zhì)光破壞、甲基丙烯酸甲酯（MMA）本體聚合機理研究基礎(chǔ)上，分別采用固體基質(zhì)改性、摻雜改性、固體基質(zhì)和摻雜共同改性的方法，研制了抗損傷閾值高、效率高、壽命長（光穩(wěn)定性好）的改性聚合物基質(zhì)固體染料激光介質(zhì)，并獲得了寬調(diào)諧范圍、大能量的固體染料激光輸出。
　　為提高固體染料激光介質(zhì)的使用壽命、激光效率和抗損傷

3、閾值等性能，本文主要采用了添加有機小分子甲醇、添加甲醇和香豆素染料共摻、添加甲醇和單體共聚等改性方法，研制了摻雜PM系列固體染料激光介質(zhì)，并研究了改性對固體染料激光輸出特性的影響。對于以甲醇改性的共聚物為基質(zhì)的摻雜PM567固體染料激光介質(zhì)，當甲醇摻雜體積比為15％時，重復(fù)頻率5Hz，單脈沖能量100mJ泵浦，使用壽命最長達到278000次，對應(yīng)的歸一化光穩(wěn)定性為180.7GJ/mol，相對于未改性時提高了8.7倍，激光輸出斜率效率最高

4、達到63.31%，抗損傷閾值為6.7 J/cm2。以甲醇改性的PMMA為基質(zhì)，當PM567與C540A摻雜摩爾比為2:5時，使用壽命最長達到618000次，歸一化光穩(wěn)定性為401.7GJ/mol，抗損傷閾值達7.9 J/cm2。在大能量激光泵浦條件下，以摻雜PM567、PM580、PM597固體染料激光介質(zhì)作為工作介質(zhì)，分別獲得了432、412和448mJ大能量的寬帶固體染料激光輸出。
　　針對目前固體染料激光介質(zhì)調(diào)諧范圍窄、激光

5、轉(zhuǎn)換效率低等缺點，本文基于光柵掠入射調(diào)諧基本原理，設(shè)計了可調(diào)諧窄線寬激光振蕩結(jié)構(gòu)，開展了單摻、共摻和改性固體染料激光介質(zhì)的可調(diào)諧輸出特性研究及在可調(diào)諧工作條件下的光穩(wěn)定性研究。以甲醇改性的摻雜PM567、PM580、PM597和PM650固體染料作為工作介質(zhì)，獲得了調(diào)諧范圍分別為51.7、52.1、51.5和63.9nm的窄線寬固體染料激光輸出，對應(yīng)的激光效率分別達到42.59%、42.7%、37.62%和9.39%。對摻雜PM580固

6、體染料輸出的寬帶和窄線寬激光光束質(zhì)量進行了測量，結(jié)果：Mx2因子為10.9和4.1，My2因子為10.7和3.9。研究了可調(diào)諧固體染料激光器在不同工作波長處的光穩(wěn)定性，實驗結(jié)果表明當固體染料激光介質(zhì)工作在轉(zhuǎn)換效率越高的波長處時，光穩(wěn)定性就越好。
　　本論文在傳統(tǒng)可調(diào)諧窄線寬固體染料激光器研究基礎(chǔ)上，提出了基于液晶及分布反饋式結(jié)構(gòu)的可集成染料激光調(diào)諧方案，并開展了初步的理論與實驗研究。采用相干泵浦 PM567染料摻雜液晶波導(dǎo)介質(zhì)，獲

7、得了從556nm到571nm的窄線寬可調(diào)諧染料激光輸出，為后續(xù)染料摻雜液晶介質(zhì)在外加電場作用下的可調(diào)諧窄線寬激光輸出特性研究奠定了基礎(chǔ)。
　　為獲得單脈沖大能量、寬調(diào)諧范圍的窄線寬固體染料激光和紫外激光輸出，本文設(shè)計了可調(diào)諧窄線寬固體染料激光“振蕩-放大”和“放大-倍頻”結(jié)構(gòu)，實驗研究了固體染料激光放大調(diào)諧輸出特性及倍頻輸出特性。以摻雜PM567、PM580和PM597固體染料作為放大介質(zhì)，分別獲得了調(diào)諧范圍為48、48和58nm

8、的窄線寬固體染料激光輸出，在560、560和590nm波長處的斜率效率分別為51.39%、50.62%和36.2%，對應(yīng)的最大輸出能量達到113.9、116.2和114.1mJ。采用BBO倍頻晶體，以摻雜PM597固體染料作為放大增益介質(zhì)，獲得了從279~305nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧的紫外激光輸出，最大輸出能量為6.94mJ。結(jié)果表明，采用摻雜PM系列固體染料激光介質(zhì)作為放大增益介質(zhì)，可以獲得大能量、寬調(diào)諧范圍的窄線寬固體染料激光和紫外激光