本文關鍵詞：高功率寬譜色心激光器及新型波導激光器實驗研究

  更多相關文章： 色心激光器 LiF:F_2~- Nd:YAG 平板波導激光器 單晶光纖激光器

【摘要】：本論文實驗研究主要分成兩部分,一部分是LiF:F_2~-色心激光器的實驗研究;另一部分是新型波導激光器的實驗研究。其中新型波導激光器有兩種類型波導結構,一是平板波導激光器;二是單晶光纖激光器。可調諧固體激光器主要有兩類,一類是色心激光器,一類是用摻雜過渡族金屬離子的激光晶體制作的可調諧激光器。色心激光器的閾值低,既可連續(xù)工作,又可以脈沖工作,而且很容易實現(xiàn)單縱模運轉,并且光束質量好,因此它在分子光譜學、化學動力學、污染檢測、光纖通信、半導體物理等領域有重要的應用價值。目前很多科研人員致力于新型波導激光器的研究,力求將傳統(tǒng)的固體塊狀激光晶體與現(xiàn)在熱門的光纖波導技術結合起來,來實現(xiàn)高效、高功率的激光輸出。傳統(tǒng)的固體塊狀激光介質,例如Nd:YAG單晶體,是一種十分優(yōu)良的固體塊狀激光增益介質,它具有超高熔點,機械性能良好,熱導率高,可長期在高功率泵浦輻射下保持穩(wěn)定的光學和物理性能等優(yōu)良特性。而光纖激光器是以玻璃光纖作為波導介質,具有耦合效率高、高轉換效率、低閾值、光束質量好等優(yōu)點。因此把這兩方面結合起來形成新型的固體波導激光器成為當前研究人員關注的熱點。平板波導激光器就是融合了塊狀固態(tài)激光器和光纖激光器的優(yōu)點,在散熱方面,平板波導激光器具有比傳統(tǒng)固體增益介質更大的散熱面積,可以與冷卻系統(tǒng)充分接觸,散熱更好。另外平板波導的選材上不像光纖拘泥于玻璃材料,它可以使用普通的激光單晶材料也可以使用激光陶瓷材料等。因此平板波導激光器結構相對于其他固態(tài)高能激光器,能夠更有利于實現(xiàn)高功率和高光束質量輸出。單晶光纖是另一種結合了激光晶體和光纖波導結構的新型激光增益介質。泵浦光在單晶光纖中以波導形式傳輸,輸出激光可以在芯層自由傳輸。相比較于傳統(tǒng)玻璃光纖,單晶光纖具有高的熱導率、低的非線性增益系數(shù)、較高的激活離子摻雜濃度等優(yōu)點。本論文首先利用聲光調Q準連續(xù)側面泵浦Nd:YAG激光器作為泵浦源,對LiF:F_2~-色心晶體的輸出特性進行了大量實驗研究;然后利用808 nm LD端泵做為泵浦源,對YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平板波導和Nd:YAG單晶光纖激光器的連續(xù),調Q輸出特性分別進行了詳細研究。研究內容主要有:1.進行了 LD側面泵浦寬譜輸出LiF:F_2~-色心激光器研究。首先研究了 1064 nm泵浦光的輸出特性。當泵浦電流71 A時,在400 Hz宏頻率下,我們得到了最高輸出功率25.4 W,此時聲光調Q脈沖寬度為70 ns。然后分別在不同曲率輸出鏡和不同透過率輸出鏡情況下,研究了色心激光的最佳輸出腔型。在400 Hz的宏頻率下、輸入鏡曲率半徑1000 mm、輸出鏡透過率39%的情況下我們得到了最佳結果。當1064.nm泵浦光功率為25.4 W時我們得到了最高的色心激光功率輸出為4.7 W,相應的光-光轉化效率為18.5%。色心激光的光譜寬度為13 nm,中心波長1142nm。激光光斑豎直方向和水平方向的光束質量分別為4.7和4.3。2.以YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平板波導為激光增益介質,808nm半導體激光為泵浦源研究了平板波導激光器的連續(xù)和脈沖輸出特性。在連續(xù)操作部分,我們在吸收17.4 W泵浦光情況下獲得了 10.4 W的最高1064 nm激光輸出。相應的光光轉換效率高達59.8%。功率從小到大1064 nm激光的豎直方向光束質量由1.16漲到3.22。在主動調Q操作部分,在30 kHz重頻下得到了最高平均輸出功率3.0 W對應的光轉換效率為38.6%。在重頻10 kHz時我們得到了最短的脈沖輸出,脈寬6.5 ns。此時單脈沖能量和峰值功率分別為0.25 mJ和38.5 kW。3.研究了 LD端面泵浦單晶光纖Nd:YAG激光器的1064nm激光連續(xù)輸出特性。當吸收泵浦功率為117 W時,得到了 72.3 W的1064 nm激光輸出,相應的光轉換效率高達62.8%。并在實驗最后采用KTP腔內倍頻獲得了 10 W綠光輸出。4.研究了 LD端面泵浦1122.6 nm激光單晶光纖Nd:YAG激光器的連續(xù)以及脈沖輸出特性。連續(xù)自由運轉部分,吸收泵浦光功率92.7 W獲得27.2 W的1122.6nm激光輸出,光轉換效率為29.34%。主動調Q部分,在30 kHz時獲得最高脈沖輸出功率3.9 W,在10 kHz得到最短脈寬為86 ns,峰值功率和單脈沖能量分別為 4.22 kW 和 0.363 mJ。本論文研究主要創(chuàng)新點如下:1.首次利用LD側面泵浦的Nd:YAG 1064 nm主動調Q激光器做為泵浦源,研究了LiF:F_2~-色心激光器的激光輸出特性,獲得了 50 kHz高重頻的高功率寬譜LiF:F_2~-色心激光輸出。在吸收1064 nm泵浦光25.4 W時,獲得了最高4.7 W的色心激光寬譜輸出。激光光譜寬度13 nm,中心波長1142 nm。2.實現(xiàn)了 LD端面泵浦的YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷平板波導激光器的高功率輸出。證明了流延成型法制備的透明陶瓷平板波導具有優(yōu)良的光學性能。當吸收LD泵浦光功率為25.4 W時,得到連續(xù)輸出激光的最高功率為10.4 W,對應的光轉換效率為59.8%。這是目前采用無水基流延成型法制備的平板波導中獲得的最高功率及最高光轉換效率。在調Q脈沖運轉中,我們在30 kHz重頻下得到了最高平均輸出功率3.0 W對應的光轉換效率為38.6%。在重頻10 kHz時我們得到了最短的脈沖輸出,脈寬6.5 ns。此時單脈沖能量和峰值功率分別為 0.25mJ 和 38.5kW。3.實現(xiàn)了 LD端面泵浦Nd:YAG單晶光纖1064 nm連續(xù)激光的高功率輸出。最高輸出功率能到72.3 W,相應的光轉換效率高達61.8%。據我們所知這是Nd:YAG單晶光纖目前為止得到的最高輸出功率和光轉換效率。通過KTP內腔倍頻,我們得到10 W綠光輸出。4.首次研究LD端面泵浦Nd:YAG單晶光纖1122.6 nm連續(xù)、脈沖激光輸出特性。在吸收泵浦光功率92.7 W時獲得最高連續(xù)輸出功率為27.2 W,光轉換效率為29.34%。在脈沖重復頻率為10 kHz時,獲得最短脈沖寬度為86 ns,峰值功率和單脈沖能量分別為4.22 kW和0.36 mJ。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN248

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