【摘要】：3μm波段中紅外激光器在醫(yī)療、遙感、大氣環(huán)境監(jiān)測以及光電對抗方面有著重要應用。隨醫(yī)療行業(yè)不斷進步和人們對健康要求的不斷升級,3μm波段激光由于對水強烈的吸收作用,在醫(yī)療行業(yè),尤其是牙科和外科手術中占有越來越多的作用。在大氣探測方案中,3μm對大氣中水汽變化的檢測十分敏感,可作為環(huán)境監(jiān)測的良好工具。除此之外,3μm波段激光由于可作為中遠紅外激光器的泵浦源,在光電對抗和激光雷達的發(fā)展和研制中有著重要應用。摻雜Ho~(3+)的激光介質輸出3μm波段激光的研究尚在起步階段,近年來,Ho~(3+)、Pr~(3+)雙摻雜,基質為LiLuF_4的晶體通過Czochralski方法生長,同時成功輸出3μm波段激光。作為一種新的輸出3μm波段激光的手段,增益開關Ho,Pr:LLF激光器輸出特性研究很有意義。由此,本文的研究內容可以概括為以下幾個部分。首先,以Ho,Pr:LLF晶體的物理特性和光譜特性出發(fā),研究Ho~(3+)離子的能級結構和離子躍遷機制,建立Ho,Pr:LLF激光器三能級系統(tǒng)速率方程,并對線形腔Ho,Pr:LLF激光器不同輸出鏡透過率對輸出特性的影響進行分析。其次,根據(jù)Ho,Pr:LLF晶體吸收特性,搭建KTP光學參量振蕩器作為Ho,Pr:LLF激光器泵浦源。以非線性晶體準相位匹配條件為理論依據(jù),計算KTP晶體在532 nm激光泵浦條件下輸出1190 nm波段激光的晶體切割角,通過仿真設計KTP OPO的諧振腔型,并仿真計算KTP光學參量振蕩器的腔內光斑分布。結合仿真,通過實驗獲得最大輸出單脈沖能量為4.4 mJ、脈寬8.2 ns、中心波長為1191.9 nm的激光輸出。對實驗結果進行測量和論證。最后,搭建Ho,Pr:LLF激光器,進行Ho,Pr:LLF激光器諧振腔的設計,通過仿真計算得到模式匹配下的諧振腔長。正常運轉時,獲得最大輸出單脈沖能量為102μJ,激光脈寬為33 ns,中心波長為2958 nm,峰值功率最大為3.1 kW的激光輸出。光-光效率和泵浦斜率效率分別為1.5%和2.6%。在最佳輸出條件下,輸出激光脈沖寬度隨泵浦能量的變化從96 ns到33 ns。針對泵浦源的1.19μm激光和輸出的2.95μm激光的脈沖時序,從增益開關的特性出發(fā),深入分析Ho,Pr:LLF激光器的增益開關特性,給出實驗的分析結果。本文是對于新型晶體Ho,Pr:LLF固體激光器的輸出特性研究,同時使用增益開關法獲得了目前此類研究中峰值功率最大的激光輸出,對3μm激光的應用有一定價值。
【圖文】：

第 1 章 緒 論1.1 課題背景及研究的目的和意義3 μm 波段中紅外激光器在醫(yī)療、遙感、大氣環(huán)境監(jiān)測以及光電對抗方面著重要應用。隨著醫(yī)療行業(yè)的不斷進步和人們對健康要求的不斷升級，，如圖 所示，3 μm 波段激光由于它對水強烈的吸收作用[1]，在醫(yī)療行業(yè)，尤其是牙和外科手術中占有越來越多的作用。同時，對大氣中水汽變化的檢測也十分感，可作為環(huán)境監(jiān)測的良好工具。除此之外，3 μm 波段激光可作為中遠紅外光器的泵浦源，所以在光電對抗和激光雷達的發(fā)展和研制中有著重要的應用目前，實現(xiàn) 3 μm 波段激光輸出的技術主要有幾種方案：氙燈泵浦的 2.94 Er:YAG 激光器；二極管激光器泵浦 Er:YSGG 晶體獲得 2.8 μm 激光輸出；對Pr:GYSGG 晶體進行抽運，獲得 2.94 μm 連續(xù)激光輸出；使用 Er:Y2O3陶瓷為工作介質，低溫條件下獲得 3 μm 波段連續(xù)激光輸出；光纖激光器作為泵浦端面泵浦 Ho,Pr:LLF4晶體，獲得 2.95 μm 連續(xù)激光輸出。產(chǎn)生 2.7~3.0 μm 中外激光的方式主要由摻雜 Er3+、Ho3+兩種稀土離子激光器來完成。

目前解決該問題的方法是通過向晶體內摻雜 Pr3+離子，縮短 Ho3+離子5I6與下能級5I7的壽命差，讓晶體內更容易發(fā)生粒子數(shù)反轉，使輸出 2.9 μ成為可能。近幾年，使用 1150 nm 激光作為泵浦源，泵浦 Ho,Pr:LLF 激出 2.95 μm 激光已有相關研究機構發(fā)表文獻證明。Ho,Pr:LLF 激光器成為段激光輸出的新方向。因此，本文通過 KTP 光學參量振蕩器產(chǎn)生峰值功率較高的 1190 nm 脈沖浦源，端面泵浦 Ho.Pr:LLF 晶體，輸出 2.95 μm 激光并探究其增益開關有意義。3 微米激光器研究現(xiàn)狀 摻 Er 激光器的研究現(xiàn)狀1999 年，美國的 Da-Wun Chen 及其所在小組人員使用 2 個波長為 0.96 μ導體激光器，進行偏振耦合，通過對 Er:YAG 晶體進行單端面的抽運，到了波長為 2.9 μm 的激光輸出，而且該激光的輸出功率為 1.15 W，斜為 34%[2]。實驗示意圖如圖 1-2 所示。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN248

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本文編號：2691811