【摘要】：2μm波段及8-12μm波段同屬于大氣窗口范圍和人眼安全范圍,在激光制導(dǎo)、定向紅外對抗、環(huán)境監(jiān)測、激光醫(yī)療等諸多領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。特別是在軍事方面,高平均功率、高重復(fù)頻率、結(jié)構(gòu)緊湊的2μm激光器和長波8-12μm激光器的需求越來越緊迫,因此有必要對2μm激光器及2μm泵浦長波8-12μm激光器進(jìn)行研究。本論文以實(shí)現(xiàn)高平均功率的2μm激光輸出以及長波8-12μm激光輸出為目的,從理論及實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對雙端泵浦Ho:YAG主振蕩-功率放大器(MOPA)系統(tǒng)、2.1μm泵浦的長波ZnGeP_2(ZGP)光學(xué)參量振蕩器(OPO)和2.1μm泵浦的長波BaGa_4Se_7(BGSe)OPO進(jìn)行了細(xì)致的研究。首先,本文介紹了近年來獲取高功率2μm波段激光輸出的主要方案,分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn),指出了研究Ho:YAG MOPA系統(tǒng)的必要性。此外,進(jìn)一步介紹了目前常用的長波非線性晶體,討論了ZGP和BGSe晶體在實(shí)現(xiàn)長波激光輸出方面的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),介紹了ZGP OPO和BGSe OPO在長波激光輸出方面的研究進(jìn)展,明確了研究長波ZGP OPO和長波BGSe OPO具有重要的意義。對Ho:YAG MOPA系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析。建立了雙端泵浦Ho:YAG振蕩器和放大器的速率方程,理論分析了不同參數(shù)對振蕩器和放大器輸出性能的影響。建立了主動(dòng)調(diào)Q速率方程,分析了不同參數(shù)對Ho:YAG激光器輸出的脈沖能量及脈沖寬度的影響。根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱傳輸方程,理論分析了高功率泵浦情況下Ho:YAG晶體內(nèi)的熱分布情況。計(jì)算了Ho:YAG晶體內(nèi)的等效熱焦距,并通過將晶體分成多份的方式,分析了放大器中種子激光在Ho:YAG晶體內(nèi)的光斑分布情況。根據(jù)Ho:YAG MOPA系統(tǒng)的理論分析,設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)了包括Ho:YAG振蕩器、一級及二級Ho:YAG放大器的MOPA系統(tǒng)。振蕩器在脈沖重復(fù)頻率為10 kHz時(shí)獲得了平均功率為55.1 W的2.1μm激光輸出,輸出激光的光束質(zhì)量因子約為1.1。然后利用獲得的2.1μm激光作為種子激光,討論了不同參數(shù)對Ho:YAG放大器輸出性能的影響,獲得了平均功率為140 W的2.1μm激光輸出,放大器的提取效率為60.1%。進(jìn)一步對二級Ho:YAG放大器進(jìn)行研究,討論了不同種子激光功率對放大器輸出功率的影響,得到了平均輸出功率為231 W的2.1μm激光輸出,對應(yīng)的提取效率為60.7%,斜率效率為67.8%,光束質(zhì)量因子小于1.1。對長波ZGP OPO進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。理論上,分別對I類和Ⅱ類ZGP OPO的相位匹配調(diào)諧曲線、光譜增益寬度、泵浦源的限制性條件、ZGP晶體的有效增益長度進(jìn)行了分析,并討論了不同參數(shù)對長波ZGP OPO輸出性能的影響。在實(shí)驗(yàn)上,利用I類相位匹配的ZGP OPO獲得了平均功率為3.3 W、重復(fù)頻率為10 kHz、波長為9.7μm的激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為3.3%,波長調(diào)諧范圍為9.3-9.85μm,閑頻光調(diào)諧范圍內(nèi)功率大于2.6 W。利用Ⅱ類相位匹配的ZGP OPO實(shí)現(xiàn)了平均功率為3.4 W、重復(fù)頻率為10 kHz、波長為9.7μm的長波激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為3.4%,閑頻光的波長調(diào)諧范圍為9.3-10.8μm,調(diào)諧范圍內(nèi)功率大于1.27 W。對Ⅱ類相位匹配長波BGSe OPO進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究。計(jì)算了2.1μm泵浦BGSe OPO的相位匹配調(diào)諧曲線,并通過實(shí)驗(yàn)研究了Ⅱ類相位匹配BGSe OPO在閑頻光波長為8.2-9.0μm范圍內(nèi)的波長調(diào)諧性能。對BGSe OPO的光譜增益寬度、泵浦源限制、BGSe晶體的有效增益長度進(jìn)行了計(jì)算,并對2.1μm泵浦BGSe OPO的輸出特性進(jìn)行了數(shù)值分析,討論了不同參數(shù)對長波BGSe OPO輸出特性的影響。實(shí)驗(yàn)上,在閑頻光波長為8.93μm處獲得了平均功率為314 mW、重復(fù)頻率為1 kHz的長波激光輸出,對應(yīng)斜率效率為7.4%,光光轉(zhuǎn)換效率為3.5%,波長調(diào)諧范圍為8.2-9.0μm。BGSe OPO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,BGSe晶體具備實(shí)現(xiàn)高功率和高效率長波激光輸出的潛力,2.1μm泵浦BGSe OPO是實(shí)現(xiàn)長波激光輸出的一種有效方案。
【圖文】：

第 2 章 Ho:YAG MOPA 系統(tǒng)的理論分析致形變導(dǎo)致的晶體端面脆裂的風(fēng)險(xiǎn)。假設(shè)晶體尺寸為 4 mm×100 mm，摻雜濃度為 0.3 at.%，晶體對泵浦的吸收系數(shù)為 0.3 cm-1。圖 2-22 給出了 100 W 雙端泵浦時(shí)的晶體內(nèi)溫度分布，晶體內(nèi)溫度最高為 291.8 K，降低晶體摻雜濃度并增長晶體長度能夠有效的降低晶體內(nèi)溫差，使晶體內(nèi)溫度場更加均勻。

第 2 章 Ho:YAG MOPA 系統(tǒng)的理論分析致形變導(dǎo)致的晶體端面脆裂的風(fēng)險(xiǎn)。假設(shè)晶體尺寸為 4 mm×100 mm，摻雜濃度為 0.3 at.%，晶體對泵浦的吸收系數(shù)為 0.3 cm-1。圖 2-22 給出了 100 W 雙端泵浦時(shí)的晶體內(nèi)溫度分布，晶體內(nèi)溫度最高為 291.8 K，，降低晶體摻雜濃度并增長晶體長度能夠有效的降低晶體內(nèi)溫差，使晶體內(nèi)溫度場更加均勻。a) 45°視角 b) 90°視角a) 45 degree angle of view b) 90 degree angle of view圖 2-20 100 W 單端泵浦 Ho:YAG 晶體(0.8 at.%)內(nèi)的溫度分布Fig. 2-20 Temperature distribution of 100 W single-end-pumped Ho:YAG crystal (0.8 at.%)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN24;TN722

【參考文獻(xiàn)】

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1 楊愛粉;張佳;李剛;張晚霞;;用于定向紅外對抗的中波紅外激光器技術(shù)[J];應(yīng)用光學(xué);2015年01期

2 王璽;;美軍定向紅外對抗技術(shù)研究綜述[J];飛航導(dǎo)彈;2014年07期

3 尹文龍;康彬;鄧建國;;新型硫族化合物在中紅外非線性光學(xué)晶體方面研究進(jìn)展[J];強(qiáng)激光與粒子束;2014年07期

4 楊勇;孫東

本文編號：2652698