常溫氧化物基質(zhì)單摻Ho固體激光器的研究.pdf

1、在光譜的2μm波段存在多個(gè)特征光譜區(qū),加之固體激光器具有高效率、小型化、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn),這使得2μm固體激光器在眾多的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是,以高峰值功率的脈沖2μm激光泵浦光學(xué)參量振蕩器可獲得3-12μm寬帶可調(diào)諧中紅外激光輸出。近20年來(lái),摻銩(Tm3+)、鈥(Ho3+)固體激光材料一直都是獲得2μm波段激光的主要增益介質(zhì),對(duì)其研究非常廣泛。時(shí)至今日,科學(xué)研究和社會(huì)生產(chǎn)對(duì)2μm激光器提出了在常溫下高效率、高功率運(yùn)轉(zhuǎn)的要

2、求。目前,只有單摻Ho固體激光器才能滿足這個(gè)條件,但由于技術(shù)難度較大,研究進(jìn)展較為緩慢。鑒于此,本文致力于氧化物基質(zhì)單摻 Ho準(zhǔn)二能級(jí)2.1μm激光產(chǎn)生機(jī)理和相關(guān)技術(shù)的研究,期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。
　　首先,對(duì)幾種重要的2μm波段固體激光器的發(fā)展概況做了詳細(xì)而系統(tǒng)地介紹和分析,明確了各種技術(shù)途徑的優(yōu)缺點(diǎn),指出了進(jìn)行單摻Ho固體激光器研究的必要性。通過(guò)對(duì)光譜特性和熱效應(yīng)的分析,表明了單摻Ho激光介質(zhì)在2μm激光輸出

3、方面的優(yōu)勢(shì),并且指出單摻Ho激光器要求其1.91μm泵浦源應(yīng)具有窄線寬和高光束質(zhì)量的特性。
　　根據(jù)能級(jí)躍遷理論和準(zhǔn)二能級(jí)2.1μm激光的產(chǎn)生機(jī)理,建立了考慮上轉(zhuǎn)換損耗和基態(tài)損耗的單摻Ho離子2.1μm激光器準(zhǔn)二能級(jí)速率方程理論模型。使用這個(gè)模型,通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法模擬并討論了與泵浦源、激光晶體和諧振腔相關(guān)的多種因素對(duì)激光器輸出特性的影響,從而得出了泵浦光M2因子、泵浦光與振蕩光斑比值以及輸出耦合透過(guò)率等參數(shù)的最佳范圍。
　

4、　為了滿足單摻Ho激光器對(duì)泵浦源的要求,以體光柵(VBG)作為壓窄線寬、鎖定運(yùn)轉(zhuǎn)波長(zhǎng)的器件,采用雙Tm:YLF晶體腔內(nèi)串接的方式來(lái)大幅提高注入的泵浦功率,最終獲得了41.1W的1.91μm激光輸出,相應(yīng)斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率分別為43.2％和36.8%。輸出光譜的峰值半高寬度小于0.1nm,泵浦功率從13.1W增加到111.7W,激光中心波長(zhǎng)只紅移了0.3nm。輸出功率20W和41W情況下,激光器的光束質(zhì)量因子 M2分別為1.1和1.8

5、。實(shí)現(xiàn)了1.91μm泵浦源的高功率、窄線寬和高光束質(zhì)量輸出。
　　在前述工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了常溫運(yùn)轉(zhuǎn)單摻Ho:YAG和Ho:YAP連續(xù)波激光器的實(shí)驗(yàn)研究。泵浦功率18.1W時(shí),Ho:YAG激光器的最大輸出功率達(dá)到了10.5W,激光器斜率效率為65.7%,相應(yīng)的光光效率為58%。注入泵浦功率為19.4W時(shí),Ho:YAP激光器獲得最大輸出功率10.2W,相應(yīng)的斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率分別為64.0.%和52.6%。此外,使用單塊非平面環(huán)

6、形腔結(jié)構(gòu)的Ho:YAG晶體,實(shí)現(xiàn)了最高輸出功率達(dá)到7.3W的近衍射極限2.09μm單縱模激光輸出。
　　從實(shí)驗(yàn)上研究了基于聲光調(diào)Q的高重復(fù)頻率、窄脈寬、高峰值功率單摻Ho激光器輸出特性。在10kHz重復(fù)頻率下,Ho:YAG激光器獲得了平均功率10.0W、脈寬25ns、峰值功率40.0kW的脈沖激光輸出;Ho:YAP激光器獲得了平均功率10.9W、脈寬31ns、峰值功率35.2kW的脈沖激光輸出。兩種單摻Ho激光器的單脈沖能量均達(dá)到

7、了1mJ左右,相應(yīng)的脈沖寬度均在30ns左右。
　　最后,進(jìn)行了常溫運(yùn)轉(zhuǎn)高功率中紅外ZGP-OPO的實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了單摻Ho激光器作為OPO泵浦源的高效性。在常溫條件下,以Ho:YAP激光器作為泵浦源,當(dāng)注入泵浦功率為10.1W時(shí),ZGP-OPO的最大輸出平均功率達(dá)到3.7W,相應(yīng)的斜率效率為59.1%,光光轉(zhuǎn)換效率為36.6%。將Ho:YAG激光器加以改進(jìn),獲得了25.9W平均功率的2.09μm激光,最小脈沖寬度為23ns。以其