發(fā)布時間：2020-04-03 01:07

【摘要】：三價釹離子(Nd3+)在近紅外波段存在豐富的能級躍遷,利用808 nm泵浦可以實現(xiàn)0.9、1.06、1.1、1.3和1.4微米等不同近紅外波段激光。這些近紅外波段的激光在醫(yī)療、工業(yè)、光通信、國防、軍事等領域有著廣泛的應用,為這個世界帶來了極大的方便。釹離子激光材料豐富多樣,除了傳統(tǒng)的以Nd:YAG為代表的單晶材料外,近.些年針對混合晶體激光材料和激光器的研究呈現(xiàn)蓬勃的發(fā)展趨勢,諸多混晶材料被開發(fā)出來,Nd:LuYAG晶體就是混晶材料的重要代表。Nd:LuYAG混晶具有和Nd:YAG單晶一樣優(yōu)異的熱光特性和機械性能,這有利于獲得高功率激光輸出;Nd:LuYAG混晶還具有和Nd:YAG單晶同樣優(yōu)異的光譜特性,表現(xiàn)為較強的吸收和發(fā)射光譜,以及明顯的多峰結(jié)構,這有利于獲得高的功率輸出,有利于獲得多波長激光;混合晶體往往具有比單晶更寬的吸收和發(fā)射光譜,因此有望通過鎖模技術在Nd:LuYAG混晶中獲得更短的激光脈沖。本文以Nd:LuYAG混晶為激光增益介質(zhì),以808nm半導體激光器為泵浦源,構造了典型的雙鏡線性諧振腔。通過優(yōu)化運轉(zhuǎn),首先實現(xiàn)了 Nd:LuYAG混晶在0.9和1.4 μm波段連續(xù)波激光輸出。在自由運轉(zhuǎn)情況下,分別獲得了 946 nm單一波長和1442 nm、1432 nm、1415.7nm三波長激光,對應的最大輸出激光功率、斜效率和光—光轉(zhuǎn)換效率分別為(5.64 W,52.5%,42.2%)和(1.71 W,17.1%,,13.3%)。通過在激光腔內(nèi)插入薄片,獲得了 939nm和946nm雙波長輸出,939 nm單一波長輸出,以及1442 nm、1432 nm和1415.7 nm各單一波長激光輸出,對應的最大輸出功率和斜效率分別為(3.61 W,34.8%),(2.0 W,26.4%),(1.26 W,13%),(0.36 W,4.2%)和(1.1 W,19.3%)。利用初始透過率為95%的Cr4+:YAG晶體作為可飽和吸收體,本文進一步實現(xiàn)了 Nd:LuYAG混晶在946 nm波長的調(diào)Q脈沖激光輸出,相應的最大平均輸出功率、最窄脈沖寬度、最大脈沖重復頻率、單脈沖能量和最大峰值功率分別為0.68 W,8.4 ns,12.3 kHz,55.3 μJ 和 6.15 kW。利用初始透過率為 95%的 V3+:YAG晶體作為可飽和吸收體,本文也實現(xiàn)了Nd:LuYAG混晶在1442 nm的調(diào)Q脈沖激光輸出,相應的上述脈沖激光參數(shù)值分別為0.43 W,0.13μs,23.8 kHz,18.1μJ和 139.2 W。在上述實驗研究的同時,本文還開展了有針對性的理論研究。首先,建立了調(diào)Q速率方程,對可飽和吸收體被動調(diào)Q運轉(zhuǎn)過程進行了詳細的理論分析,模擬了調(diào)Q激光的輸出特性曲線,并用數(shù)值計算了不同泵浦功率下的脈沖寬度和重復頻率,模擬出脈沖寬度和重復頻率隨泵浦功率的變化曲線,并將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比分析。其次,熱效應是制約高功率激光產(chǎn)生的主要限制因素,因此本文最后還分析了 Nd:LuYAG混晶的熱透鏡效應,利用熱分布模型,對Nd:LuYAG混晶的熱效應進行了仿真。
【圖文】：

通常需要電荷補償，如加入Ｃａ２＋或Ｍｇ２＋離子。晶體中的Ｃｒ＾離子可以通過退火逡逑來改變物質(zhì)價態(tài)，即與氧原子形成Ｃｒ４＋離子，退火前后ＣｎＹＡＧ晶體的顏色也由逡逑原來的深綠色變?yōu)樯钭厣�，如圖１．２顯示了邋Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶體退火前后的顏色對比。逡逑圖１．２邋Ｃｒ：邋ＹＡＧ晶體退火前后顏色對比逡逑Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶體作為調(diào)Ｑ開關實現(xiàn)脈沖運轉(zhuǎn)至今已經(jīng)有近三十年。從１９８８逡逑年，人們從發(fā)現(xiàn)Ｃｒ４＋在０．９－１．２邋ｐｍ波長范圍具有可飽和吸收特性后就開始將其作逡逑為調(diào)Ｑ元件。Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶體在不同波段的基態(tài)吸收截面和激發(fā)態(tài)截面各不相同，逡逑在０．９邋ｎｍ和１．０６邋ｐｍ處，基態(tài)吸收截面和激發(fā)態(tài)吸收截面分別為（８．７邋ｘ逡逑１０一邋１９ｃｍ２，２＿２ｘｌ０＿１９ｃｍ２）和（５．７邋ｘｌ０＿１８ｃｍ２，，８邋ｘｌ０＿１９ｃｍ２）。而釹離子逡逑摻雜的晶體的基態(tài)吸收截面一般都比Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶體的基態(tài)吸收截面小，有利于逡逑被動調(diào)Ｑ，因而Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體自發(fā)現(xiàn)以來，一直被用于近紅外波段的飽和吸收逡逑調(diào)Ｑ元件。１９９５年，Ｙ．邋Ｓｈｉｍｏｎｙ等人采用Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶體實現(xiàn)了對Ｎｄ：ＹＡＧ晶逡逑體的被動調(diào)Ｑ運轉(zhuǎn)

和吸收體Ｃｒ４＋：邋ＹＡＧ晶體為例，詳細分析了被動調(diào)Ｑ理論模型。逡逑２．１三能級（Ｖ３／２－＞％２）連續(xù)波模型逡逑三能級系統(tǒng)的簡要模型如圖２．１所示，可以看到只有三個能級參與激光的產(chǎn)逡逑生過程。其中，及為基態(tài)能級，即產(chǎn)生激光的下能級；及為亞穩(wěn)態(tài)能級，即激逡逑光的上能級；及為抽運帶，也即高能級。在泵浦激勵作用下，下能級的粒子由逡逑于受激吸收被抽運到￡３能級，到達五３能級后，由于該能級上的粒子壽命很短，逡逑粒子停留時間極短，該能級上的粒子又通過非輻射躍遷快速弛豫到激光的上能級逡逑￡２上。而處于上能級應上的粒子壽命比高能級五３上的粒子壽命長，因而該能級逡逑上的粒子也比較穩(wěn)定，不易發(fā)生躍遷。當下能級一半以上的粒子被抽運到上能級逡逑后，粒子就會在上下兩個能級之間發(fā)生反轉(zhuǎn)，此時，將會產(chǎn)生相應波長的激光。逡逑在正常情況下
【學位授予單位】：廈門大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN249

【參考文獻】

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本文編號：2612711