Nd：YAG陶瓷激光器的理論和實驗研究以及TiO-,2-隨機介質中光擴散的研究.pdf

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

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率、吸收光譜、熒光光譜和熒光壽命，而且相對于單晶材料還有制作簡單、成本低、可以生長大尺寸材料、機械特性良好、摻雜濃度高、多功能性以及可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。由于光學陶瓷材料彌補了單晶的很多不足，Nd：YAG陶瓷材料很有希望成為同單晶Nd：YAG一樣廣泛應用的固體激光增益介質。 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發(fā)陶瓷增益介質和陶瓷激光器方面作出了杰出的貢獻，居世界領先地位。俄羅斯、美國、德國、羅馬尼亞、英國、新加坡、印度和西班牙等國家的研究者都在積極地參與陶瓷激光器的研究。在中國大陸，山東大學、上海光學精密機械研究所、清華大學、四川大學也在積極地參與陶瓷激光器的研究工作，在理論和實驗方面已經(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)激光及反轉粒子數(shù)密度空間分布的

4、四能級調Q激光器的速率方程組已有詳細分析并被廣泛引用。目前還沒有考慮激光下能級再吸收以及腔內(nèi)激光和反轉粒子數(shù)密度空間分布的準三能級主動調Q激光器速率方程組。 光子局域化是電子局域化的光子學類比，是指散射介質中多重散射波的干涉效應使得光在其中的傳播受到抑制。通過測量超短激光脈沖在隨機樣品中擴散過程的時間進化，可以得到光在該樣品中的光子局域化程度，因而隨機介質的光擴散時域研究成為研究光子局域化的一個重要方法。 本論文中，對N

5、d：YAG陶瓷激光器的進行了理論和實驗研究，對超短脈沖在TiO2隨機介質的光擴散特性進行了研究。研究內(nèi)容主要有： 1．進行了LD端面泵浦輸出波長為1064 nm的Nd：YAG陶瓷激光器的實驗研究，詳細研究了在連續(xù)運轉、主動調Q和被動調Q下的激光輸出特性。并與相同實驗條件下的1064 nm單晶Nd：YAG激光器進行了比較。Nd：YAG陶瓷激光器獲得了比Nd：YAG單晶激光器略微好的實驗結果。 2．進行了LD端面泵浦輸出波長

6、為946 nm的主動調Q Nd：YAG陶瓷激光器的實驗研究。當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，脈沖重復率為50 kHz時，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再吸收以及腔內(nèi)激光和反轉粒子數(shù)密度的空間分布，得到了準三能級主動調Q激光器的速率方程組。引入了一組綜合參量，得到準三能級主動調Q激光器的歸一化速率方程。通過數(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調Q脈沖參量與這些綜合參量之間關系，還可以用來估計任何一個LD泵浦或閃光燈泵浦的的準三能級主動調Q激光器的輸出脈沖參量。用該理論對946nm的主動調Q Nd：YAG陶瓷激光器進行理論計算，得到的理論結果與實驗結果大致符合。 4．在考慮激光下能級再吸收以及腔內(nèi)激光和反轉粒子數(shù)密度空間分布的準三能級被動調Q激光器速率方程組中，引入一組綜合參量，獲得了準三能級被動調Q激光器的歸一化速率方程。通過

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調Q脈沖參量與這些綜合參量之間關系，還可以用來估計許多LD泵浦或閃光燈泵浦的準三能級被動調Q激光器的輸出脈沖參量。用該理論對946 nm的被動調Q Nd：YAG陶瓷激光器進行理論計算，得到的理論結果與實驗結果大致符合。 5．進行了以TiO2納米顆粒的懸浮液為隨機介質的532 nm超短激光脈沖的光擴散研究，激光脈沖寬度為60 ps，脈沖重復率為10 Hz，由

9、條紋相機測量了透過隨機樣品后光脈沖的時間特性曲線，通過理論擬合得到光擴散常數(shù)，研究了光擴散常數(shù)隨樣品濃度的變化關系，擴散常數(shù)隨著TiO2納米顆粒在懸浮液中濃度的增加而減小。 6．進行了以TiO2納米顆粒為隨機介質的800 nm超短激光脈沖的光擴散研究，激光脈沖寬度為10 ps，脈沖重復率為100 Hz，由數(shù)字存儲示波器測量得到透過隨機樣品后光脈沖的時間特性曲線，當TiO2納米顆粒在隨機樣品中的濃度達到1．36×1015 cm-3

10、時，實驗結果與光擴散理論結果出現(xiàn)偏離，說明開始出現(xiàn)弱光子局域化現(xiàn)象。 本論文主要創(chuàng)新點如下： 1．首次實現(xiàn)了LD端面泵浦946 nm主動調Q Nd：YAG陶瓷激光器的高效運轉。當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，脈沖重復率為50 kHz時，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的再吸收以及腔內(nèi)激光和反轉粒子數(shù)密度的空間分布，首次得到

11、了準三能級主動調Q激光器的速率方程組。引入了一組綜合參量，得到準三能級主動調Q激光器的歸一化速率方程。通過數(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調Q脈沖參量與這些綜合參量之間關系，還可以用來估計任何一個LD泵浦或閃光燈泵浦的的準三能級主動調Q激光器的輸出脈沖參量。用該理論對946 nm的主動調Q Nd：YAG陶瓷激光器進行理論計算，得到的理論結果與實驗結果大致符合。 3．在考慮激光下能級的再吸收以

12、及腔內(nèi)激光和反轉粒子數(shù)密度空間分布的準三能級被動調Q激光器速率方程組中，引入一組綜合參量，首次獲得了準三能級被動調Q激光器的歸一化速率方程組。通過數(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調Q脈沖參量與這些綜合參量之間關系，還可以用來估計許多LD泵浦或閃光燈泵浦的被動調Q激光器的輸出脈沖參量。用該理論對946 nm的被動調Q Nd：YAG陶瓷激光器進行理論計算，得到的理論結果與實驗結果大致符合。