激光二極管(Laser Diode)泵浦的全固態(tài)激光器的系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光束方向性好且獲得的泵浦效率非常高等優(yōu)點(diǎn),在激光光譜檢測(cè)、通信光譜編碼、精密工業(yè)加工、遺傳基因能量轉(zhuǎn)移、先進(jìn)醫(yī)學(xué)手術(shù)等先進(jìn)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域收到科學(xué)家們的青睞,得到大范圍推廣與應(yīng)用,近年來(lái)一直是人們研究的熱點(diǎn)。泵浦功率增加引起增益介質(zhì)產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)和熱致雙折射效應(yīng)是阻礙激光器獲得更高輸出功率和更好光束質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。近年來(lái)的研究表明,具有濃度梯度的鍵合晶體,可以有效地減少增益介質(zhì)內(nèi)部由于熱沉積而產(chǎn)生的熱損耗,從而減少熱效應(yīng)。本論文的泵浦源選用光纖耦合輸出的激光二極管,選用分段摻雜不同濃度的鍵合 Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4、Nd:GdVO4/Nd:GdVO4/Nd:GdVO4、Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4、Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4 晶體作激光工作物質(zhì),分別對(duì)鍵合晶體的熱效應(yīng)參數(shù)即溫度場(chǎng)和熱焦距以及脈沖激光特性進(jìn)行了探索。論文的涉及的工作有以下幾個(gè)方面:(Ⅰ)研究了非鍵合晶體和不同摻雜濃度的分段鍵合晶體的熱效應(yīng)機(jī)理,利用有限差分法將熱傳導(dǎo)方程的中的導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)的差商近似代替,得到差分形式方程,采用數(shù)值模擬方法,理論模擬了同基質(zhì)和不同基質(zhì)的增益介質(zhì)的熱焦距和晶體內(nèi)部以及泵浦端面上的溫度場(chǎng)分布情況。對(duì)晶體的熱焦距進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,測(cè)量的結(jié)果和數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)在變化趨勢(shì)上一致,即理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨泵浦功率變化的趨勢(shì)吻合。(Ⅱ)實(shí)驗(yàn)研究了以GaAs為飽和吸收體的LD泵浦鍵合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4被動(dòng)調(diào)Q激光特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了激光器特性參數(shù)如輸出功率、脈寬、脈沖重復(fù)率等在不同輸出鏡透過(guò)率條件下隨泵浦功率發(fā)生變化的趨勢(shì)。然后利用E=Pav/F和Ppeak =E/tp計(jì)算出單脈沖能量、峰值功率,分析和泵浦功率的變化關(guān)系。(Ⅲ)實(shí)現(xiàn)了 Cr4+:YAG飽和吸收體1064 nm的LD泵浦多段鍵合Nd:YVO4晶體被動(dòng)調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)采用平凹腔結(jié)構(gòu),通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了兩塊不同摻釹濃度的鍵合Nd:YVO4晶體在不同小信號(hào)透過(guò)率條件下表征激光器性能的參數(shù)如輸出功率、脈寬、峰值功率等隨泵浦功率變化的趨勢(shì)。(Ⅳ)實(shí)現(xiàn)了 LD泵浦鍵合Nd:YVO4主動(dòng)調(diào)Q的1064 nm激光運(yùn)轉(zhuǎn)。利用EO開(kāi)關(guān)作為調(diào)Q器件對(duì)激光器實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)調(diào)Q,研究其主動(dòng)調(diào)Q的激光特性,選用兩塊相同尺寸不同摻釹濃度的鍵合Nd:YVO4/Nd:YV04/Nd:YVO4晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,分別在不同輸出鏡透過(guò)率的條件下,測(cè)得經(jīng)過(guò)諧振腔的輸出功率、脈寬、脈沖重復(fù)率等表征激光器性能的參數(shù)隨泵浦功率增加而改變的趨勢(shì),進(jìn)而利用E=Pav/F和Ppeak=E/tp計(jì)算出E和Ppeak的變化曲線。(Ⅴ)利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡SESAM,分別采用W型和X型五鏡折疊腔實(shí)現(xiàn)了 LD泵浦下鍵合Nd:YVO4和Nd:GdVO4晶體1064 nm的穩(wěn)定連續(xù)鎖模激光輸出。利用ABCD矩陣?yán)碚撨M(jìn)行計(jì)算,選擇合適腔長(zhǎng),進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整諧振腔的各項(xiàng)參數(shù),獲得穩(wěn)定的連續(xù)鎖模輸出。(Ⅵ)采用X型腔,對(duì)不同基質(zhì)鍵合Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4和Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4晶體1064 nm的連續(xù)鎖模激光特性進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)果表明Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4的激光性能更好,而且同等條件下優(yōu)于同基質(zhì)鍵合Nd:GdVO4/Nd:GdVO4/Nd:GdVO4晶體的激光輸出特性。論文的創(chuàng)新點(diǎn):(Ⅰ)首次通過(guò)分段晶體近似薄透鏡的計(jì)算方法,計(jì)算出不同基質(zhì)鍵合Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4、Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4 晶體的熱焦距。借助 MATLAB軟件,采用有限差分法,模擬出鍵合Nd:GdVO4/Nd:GdVO4/Nd:GdVO4、Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4、Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4 晶體內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況。(Ⅱ)首次利用SESAM實(shí)現(xiàn)了鍵合Nd:GdVO4/Nd:GdVO4/Nd:GdVO4晶體連續(xù)鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)。(Ⅲ)首次利用SESAM實(shí)現(xiàn)了不同基質(zhì)鍵合Nd:GdVO4/Nd:YVO4/Nd:GdVO4和Nd:YVO4/Nd:GdVO4/Nd:YVO4晶體連續(xù)鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn),并對(duì)它們的激光特性進(jìn)行了對(duì)比研究。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｌｅｖｅｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｃｒ３＋?ｉｎ?Ｒｕｂｙ??圖１．?１紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)??激光器的優(yōu)點(diǎn)為：晶體尺寸大，亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，功率密度機(jī)械強(qiáng)度好；主要的缺點(diǎn)是：閾值高且溫度效應(yīng)非常嚴(yán)重。

紅寶石激光器的工作物質(zhì)是Ｃｒ３＋：Ａ１２０，，其中，基質(zhì)是Ａ１２０３，?＆＾離子是摻雜的發(fā)??光的激活粒子，工作物質(zhì)的光譜特性由Ｃｒ＞的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定，為三能級(jí)系統(tǒng)。如下??圖１．?１所示為Ｃｒ＇ＡｂＯ；晶體Ｃｒ：Ｈ能級(jí)圖［５］。一般在室溫條件下，Ｃｒ＾ＡｈＯ，激光器??輸出波長(zhǎng)為６９４．?３?ｎｍ的紅光。??３０?ｒ??：５”丨遞礙＇??Ｉ??？?２０ｈ?．?ｆｖ??＜?卜－Ａ?２Ａ?＼?Ｘ?＿Ｊ＿＿??二?泫?＼?２９ｃｍ?？??蠆?＾?ｋ??茬?１〇?‘?Ｒ：／?Ｒ，??激光躍遷??＊?？??５卜?／?／??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｌｅｖｅｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｃｒ３＋?ｉｎ?Ｒｕｂｙ??圖１．?１紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)??紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)為：晶體尺寸大，亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，功率密度高，單模輸??出能量高，機(jī)械強(qiáng)度好；主要的缺點(diǎn)是：閾值高且溫度效應(yīng)非常嚴(yán)重。溫度升高??時(shí)，波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，導(dǎo)致熒光譜線加寬，熒光量子效率隨之下降，持續(xù)嚴(yán)??重會(huì)引起“猝滅”現(xiàn)象。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致紅寶石激光器不能連續(xù)高重復(fù)率工作，只??能在低溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。??１．２．２摻欽ＩＺ；鋁石榴石激光器（ＮｃＰ：ＹＡＧ）??３??

?條件是其光學(xué)元件必須密閉在干燥的容器之中，與水蒸氣完全隔離，否則激光束??將會(huì)被破壞［６］。圖１．?３所示為Ｅｒ：ＹＡＧ激光躍遷能級(jí)圖，其輸出的波長(zhǎng)為２．?９４網(wǎng)。??６???１０４１２??５???丨０４（）８??４?—－……——■?＿＝丨器努??７?Ｉ０２Ｓ５??７?！?０２５２??．－＜＊?＾－＜Ｃ?？—＜??宏?窆ｓ??７????６８７＾??６?６８７５??ｑ?—??６３００??４?」?６７７９??＇???ｔ＞６（）２???６５９６??Ｔ?—??（＞５４Ａ??ｗｍ?ａ能級(jí)??ｆｉ＾ｍ?Ｕｋｃｒｎｒ?＇??Ｆｉｇ．?１．３?Ｌａｓｅｒ?ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ?ｌｅｖｅｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｅｒ：ＹＡＧ??圖１．３?Ｅｒ：ＹＡＧ激光躍遷能級(jí)圖??研宄結(jié)果顯示Ｅｒ：ＹＡＧ激光器的最大平均功率可達(dá)到３?Ｗ，最大脈沖輸出能量??達(dá)到５?Ｊ，就長(zhǎng)波長(zhǎng)固體激光器而言，這是是目前輸出功率最大、效率最高的激光??系統(tǒng)；這種激光器的輸出波長(zhǎng)為２．?９４?ｐｍ，可被人體組織吸收，這是Ｅｒ：ＹＡＧ激光??器與其他激光器相比的一大優(yōu)點(diǎn)。摻鉺釔鋁石榴石Ｅｒ：ＹＡＧ激光器的出現(xiàn)使激光在??醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用得到突破，尤其在激光外科和血管外科有很大的潛力［７］。??受到工作條件的限制，Ｅｒ：ＹＡＧ激光器并沒(méi)有像上述兩種激光器一樣被廣泛應(yīng)??用。但不久的將來(lái)，我們相信它會(huì)在固體激光器當(dāng)中占有一個(gè)非常重要的地位。??１．２．?４可調(diào)諧固體激光器??隨著激光器類型的不斷開(kāi)發(fā)和研宄，出現(xiàn)了波長(zhǎng)可以變化和調(diào)制的固體激光??器
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2876823