【摘要】：全固態(tài)拉曼激光器具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),是豐富和拓展激光頻率范圍,促進(jìn)激光醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及軍用激光技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展的有力途徑。論文主要從理論上對(duì)多階次Stokes光的級(jí)聯(lián)振蕩及增益競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行深入研究,并對(duì)一階Stokes拉曼激光進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究。主要研究目的是建立多階次拉曼激光理論模型,并通過(guò)數(shù)值模擬分析Stokes光間增益競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,為高效、高功率固體拉曼激光提供理論指導(dǎo)。在理論研究過(guò)程中,利用非線性極化理論、三階非線性方程以及光學(xué)耦合波方程,解釋了經(jīng)典理論中受激拉曼散射原理和高階級(jí)聯(lián)拉曼散射原理,并推導(dǎo)了受激拉曼散射極化率及增益系數(shù)。本文還總結(jié)并對(duì)比了常用固體拉曼頻移介質(zhì)的特性。基于四能級(jí)激光速率方程的理論,建立了一階、二階、三階Stokes拉曼激光器以及一階Stokes倍頻拉曼激光器的速率方程。利用Matlab軟件數(shù)值求解速率方程并模擬了諧振腔內(nèi)Stokes光建立的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,分析了激光能量的轉(zhuǎn)移機(jī)制,進(jìn)而從理論上闡述了多階次及和頻拉曼激光增益競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的機(jī)理。基于矩陣光學(xué)理論,利用Matlab軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化了諧振腔,模擬計(jì)算了級(jí)聯(lián)耦合諧振腔中反射鏡不同曲率半徑組合下的光斑束腰半徑、穩(wěn)定性因子隨腔長(zhǎng)的變化以及在腔內(nèi)不同位置處基頻光和拉曼光的光斑大小,獲得了針對(duì)提高輸出光能量的諧振腔優(yōu)化方案。在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中,本文使用880nm的半導(dǎo)體激光器作為聲光調(diào)Q Nd:YVO_4/YVO_4激光器的泵浦源,通過(guò)端面泵浦Nd:YVO_4激光晶體,獲得了1064nm的基頻光振蕩,并利用YVO_4拉曼晶體的受激拉曼散射效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了1176nm的一階Stokes拉曼光輸出。采用三種不同鏡子曲率半徑組合,研究了泵浦功率和重復(fù)頻率對(duì)平均輸出功率以及脈寬的影響。在LD泵浦功率為10.1W以及重復(fù)頻率為30kHz的條件下,獲得了最大平均輸出功率為59mW的一階Stokes拉曼光。當(dāng)泵浦功率為2.1W,重復(fù)頻率為10kHz時(shí),泵浦功率閾值達(dá)到最小值2.145W。當(dāng)泵浦功率大于6.98W時(shí),脈沖寬度穩(wěn)定在6ns左右。
【圖文】：

晶體材料中的受激拉曼散射（SRS）為拓寬傳統(tǒng)固體激光器的光譜范圍提了一種簡(jiǎn)單有效的方法，可以將光譜的范圍拓寬至紅外光、可見(jiàn)光、紫外光[2-受激拉曼散射作為一種頻移器具有許多吸引人的特性，如光束整形、脈沖壓縮不需要相位匹配、轉(zhuǎn)換效率高等，能通過(guò)高效的頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生多種波長(zhǎng)激光。著受激拉曼散射在固體晶體中的應(yīng)用越來(lái)越多，它已成為一種成熟的非線性光變頻技術(shù)。二極管泵浦的全固態(tài)拉曼激光器是一種可以拓寬固體激光器光譜覆蓋范圍實(shí)用、高效的激光器件。隨著固體拉曼激光器相關(guān)研究成果報(bào)道的不斷增多，二極管泵浦的全固態(tài)拉曼激光器的研究已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代的一股潮流。由于激二極管在體積、重量、性能性等方面地不斷優(yōu)化，其發(fā)展非常迅速，成為目前常理想的固體激光器泵浦源，其泵浦的激光器性能優(yōu)于傳統(tǒng)的燈泵固體激光器全固態(tài)拉曼激光器不僅具有體積小、性能穩(wěn)定、壽命較長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定好、波長(zhǎng)范圍廣等的優(yōu)點(diǎn)，而且光束質(zhì)量很好、重復(fù)頻率也很高，在信息、醫(yī)國(guó)防、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用非常頻繁，有著十分廣闊的發(fā)展前景。因?qū)θ虘B(tài)拉曼激光器的研究很有實(shí)用價(jià)值和研究意義，在激光器件與激光技術(shù)域備受人們青睞。和頻、差頻、

400nm~600nm 可見(jiàn)光及 1.3μm~1.5μm 近紅外激光在光譜學(xué)、生物醫(yī)療、激光顯示、光學(xué)存儲(chǔ)、大氣探測(cè)、激光雷達(dá)和自由空間光通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用[4-6]，而傳統(tǒng)的固體激光器波長(zhǎng)種類(lèi)非常有限，很難完全覆蓋這些波段。因此，通過(guò)研究新型固體拉曼激光技術(shù)來(lái)增加波長(zhǎng)覆蓋范圍，具有十分重要的研究意義。1.2 固體拉曼激光器的研究現(xiàn)狀1.2.1 脈沖固體拉曼激光器的研究現(xiàn)狀2009 年，山東大學(xué)張行愚課題組首次實(shí)現(xiàn)了 LD 端面泵浦主動(dòng)調(diào) Q 的Nd:YVO4/BaWO4內(nèi)腔式拉曼激光器在 1532nm 處的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出光的最大平均功率可以達(dá)到 1.5W，從 LD 到 1532nm 光光轉(zhuǎn)換效率為 12.5%[7]。2014 年，山東大學(xué) H.N. Zhang 等人采用最大功率為 50W 的 808 半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，首次將 1444 nm 處的激光作為基波波長(zhǎng)，研究了二極管泵浦主動(dòng)調(diào) Q Nd:YAG/BaWO4拉曼激光器，實(shí)現(xiàn)了 1666nm 的一階 Stokes 拉曼光輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1-2 所示。最大輸出功率為 1.21W，這是 1.6μm 拉曼激光器的最高輸出功率，，脈沖能量為 242μJ，峰值功率為 8.96kW[8]。M2
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN24

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