激光二極管(LD)泵浦的全固態(tài)脈沖激光器在通訊、軍事武器和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、脈沖寬度窄、峰值功率高、穩(wěn)定性好、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。近年來,以人工晶體為基礎(chǔ)材料的全固態(tài)激光器向?qū)嵱没焖侔l(fā)展,人工晶體是LD泵浦全固態(tài)激光器的重要組成部分,一代材料、一代器件,它們的變更影響著固體激光器的性能和發(fā)展方向。四能級(jí)結(jié)構(gòu)摻釹(Nd~(3+))的鍺酸鉍(BGO)和硅鍺酸鉍(BGSO)立方晶體,由于具有光輸出高、晶體密度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高和光學(xué)性能好等優(yōu)勢(shì),在固體激光領(lǐng)域嶄露頭角。從理論和實(shí)驗(yàn)上通過對(duì)Nd:BGO和Nd:BGSO晶體結(jié)構(gòu)、離子的發(fā)光特性、能量傳遞及其與晶格相互作用的研究,全面表征了它的激光特性,使用新型可飽和吸收體(saturable absorber,SA)實(shí)現(xiàn)了晶體的脈沖激光輸出,減小了實(shí)驗(yàn)過程中激光晶體的熱效應(yīng),獲得了結(jié)構(gòu)緊湊高效的小型全固態(tài)脈沖激光器,同時(shí)也為該類晶體的優(yōu)化生長提供了一定的參考依據(jù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.回顧了全固態(tài)激光器的發(fā)展歷程和脈沖激光原理。介紹了Nd:BGO和Nd:BGSO晶體的發(fā)展?fàn)顩r和晶體性能。同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了兩種新型可飽和吸收體—鉍烯納米片(Bi-NSs)和氧化銦錫納米線陣列(ITO-NWAs SA),并對(duì)可飽和吸收材料的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了闡述。2.采用微拉下降法成功生長了Nd:BGO晶體,并且在波長為880 nm的LD泵浦下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)和脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)Nd:BGO晶體的能級(jí)和光譜特性進(jìn)行了分析,理論驗(yàn)證了使用波長為880 nm的泵浦源直接對(duì)該晶體進(jìn)行泵浦的可能性。闡述了直接泵浦法減少量子虧損發(fā)熱的原理,并通過使用不同波長(808 nm和880 nm)的LD泵浦Nd:BGO晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。進(jìn)一步以Cr~(4+):YAG作為可飽和吸收體,實(shí)現(xiàn)了不同泵浦下該晶體脈沖激光性能的對(duì)比。通過比較Nd:BGO晶體在不同泵浦下的連續(xù)和脈沖激光性能,我們發(fā)現(xiàn)使用880 nm LD直接泵浦的方法,可以提高激光器的效率、能量和光束質(zhì)量。3.使用超聲法成功制備了Bi-NSs材料,并且對(duì)該材料進(jìn)行了表征。用Z掃描的方法,測(cè)量了可飽和吸收體在1μm波段的調(diào)制深度和可飽和通量,實(shí)現(xiàn)了Bi-NSs材料作為可飽和吸收體在1μm固體激光器中的應(yīng)用。得到了基于Bi-NSs SA的Nd:BGO被動(dòng)調(diào)Q激光器。4.對(duì)Nd:BGSO晶體的結(jié)構(gòu)性能和光譜特性進(jìn)行了表征,研究了LD泵浦的連續(xù)和被動(dòng)調(diào)Q Nd:BGSO激光器。比較了不同泵浦波長下(808 nm和880 nm)Nd:BGSO激光器的連續(xù)激光性能。在連續(xù)激光器性能最佳時(shí),將Bi-NSs SA作為調(diào)制器件,實(shí)現(xiàn)了Nd:BGSO的被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)。將其與在相同實(shí)驗(yàn)條件下Nd:BGO激光器的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比研究,證明了Nd:BGSO晶體是一個(gè)更有潛力的激光晶體。5.設(shè)計(jì)了LD泵浦Nd:BGSO鎖模諧振腔,使用SESAM實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)。在波長為880 nm泵浦的Nd:BGSO激光器中實(shí)現(xiàn)了超短脈沖輸出。實(shí)驗(yàn)獲得的最大平均輸出功率為0.176 W,最短脈沖寬度為1.531 ns,所對(duì)應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率為54.35MHz。6.使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備了ITO的一種納米結(jié)構(gòu)-ITO-NWAs,并將ITO-NWAs材料應(yīng)用于固體激光器。在近紅外波段對(duì)該材料的非線性進(jìn)行表征,得到了它在不同波段的調(diào)制深度和可飽和通量。系統(tǒng)的研究了ITO-NWAs作為SA在近紅外波段的脈沖激光性能,實(shí)現(xiàn)了基于ITO-NWAs SA的寬波段被動(dòng)調(diào)Q激光器,證實(shí)了ITO-NWAs作為寬帶可飽和吸收材料的潛力。接下來將該材料應(yīng)用于上一節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊的Nd:BGSO連續(xù)激光器內(nèi),實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光輸出。通過研究發(fā)現(xiàn),ITO-NWAs材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的損傷閾值、較大的光學(xué)非線性和調(diào)制深度,有望發(fā)展成為一種高效的超快光學(xué)調(diào)制器。
【學(xué)位單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O734;TN248
【部分圖文】：

山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文2具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)之外，還需要考慮它是否與激活離子相匹配以及基質(zhì)晶體場(chǎng)影響激活離子的光譜等因素。比如所選基質(zhì)材料中的陽離子和摻雜的激活離子之間的半徑和價(jià)態(tài)越接近，則匹配程度越高。而對(duì)于尋找性能更加優(yōu)良的新材料和新晶體，是激光研究領(lǐng)域永恒不變的主題。圖1-1四能級(jí)能級(jí)結(jié)構(gòu)圖。1.21μm波段摻釹的新型激光晶體材料1.2.1摻釹的鍺酸鉍(Nd:BGO)晶體簡(jiǎn)介鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO）晶體是一種無色透明具有良好的光學(xué)性能和機(jī)械性能的立方晶系（圖1-2）。其空間群為43m或I43d，晶胞常數(shù)為1.05nm，單位晶胞內(nèi)包含4個(gè)Bi4Ge3O12分子[13,14]。BGO晶體具有密度大、硬度大、易生長、不易潮解且熱學(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)且在0.3μm~6μm波段具有高的透過率。在摻雜了稀土離子之后，BGO晶體展現(xiàn)出了良好的抗光損傷性能[15]，這些優(yōu)異的性能使得該晶體成為了一個(gè)良好的激光基質(zhì)備選材料。1969年，Johnson等人首次制出了摻釹的BGO激光晶體[16]。1972年，Dickinson等人用提拉法生長Nd、Yb、Er摻雜的BGO晶體，發(fā)現(xiàn)稀土摻雜的BGO晶體為有潛力的激光增益材料[17]。而在1993年，Zhou等人首次實(shí)現(xiàn)了LD泵浦的Nd:BGO自調(diào)Q激光器，得到了穩(wěn)定的脈沖序列[18]。在1994年，F(xiàn)eng等人在Nd3+摻雜BGO晶體中實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激光操作，得到了40mW的輸出功率，最大斜效率為20%[19]。2017年，Nd:BGO

山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文3晶體的微觀結(jié)構(gòu)和能級(jí)被系統(tǒng)的計(jì)算研究[20]。近期，Lin等人實(shí)現(xiàn)關(guān)于Nd:BGO單晶光纖的連續(xù)激光輸出，并測(cè)得連續(xù)激光輸出功率達(dá)到了3.37W[21]。當(dāng)Nd3+摻雜到BGO晶體中時(shí)，由于Nd3+離子的離子半徑約為0.104nm，Bi3+離子的離子半徑為0.096nm，它們的離子半徑十分相近，Nd3+離子可以取代晶體中的Bi3+離子，形成兩個(gè)發(fā)光中心，這使得Nd:BGO成為一個(gè)較好的具有特色的激光晶體[22]。而且在Nd:BGO晶體中，Bi3+離子還可以對(duì)晶體中的Nd3+離子起到激活與敏化的作用，它可以作為Nd3+例子的敏化離子，以改善和提高晶體對(duì)泵浦光的吸收。張秀榮等人研究了Nd:BGO的光譜特性，證實(shí)了該晶體具有基質(zhì)敏化機(jī)制，并且和Nd:YAG晶體進(jìn)行了對(duì)比[23]。他們研究發(fā)現(xiàn)，Nd3+離子在BGO中的分凝系數(shù)接近于1。這使得Nd3+離子比較容易摻雜進(jìn)BGO晶體中，有利于大濃度的摻雜且晶體的均勻性較好。而且經(jīng)過對(duì)該晶體的吸收譜進(jìn)行分析，他們發(fā)現(xiàn)該晶體的吸收譜和室溫下Nd:YAG的吸收譜類似，而且由于Nd3+離子受到BGO內(nèi)晶體場(chǎng)的作用，能級(jí)分裂和譜線加寬，這使得Nd:BGO晶體的吸收帶要寬于Nd:YAG晶體。在室溫下，Nd:BGO晶體所擁有的基質(zhì)敏化特性有利于增強(qiáng)晶體的發(fā)光強(qiáng)度，而該特性也可以減小Nd3+的4I11/2能級(jí)到4F3/2能級(jí)的再吸收過程，以此使得該晶體的閾值降低。圖1-2BGO晶體的晶體結(jié)構(gòu)圖。Nd:BGO晶體具有光輸出高、閾值較低、密度高、能量分辨率高、輻射硬度高等優(yōu)點(diǎn)，是固體激光器的一種潛在的激活介質(zhì)。在本文中，我們對(duì)Nd:BGO晶體的激光特性

山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文6圖1-3調(diào)Q裝置原理示意圖。而被動(dòng)調(diào)Q的Q值無法人為操控，其與激光腔內(nèi)的光強(qiáng)有關(guān)。被動(dòng)調(diào)Q無需外加聲光或電光電源，所以更加的簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)緊湊且靈活性高，該操作主要是通過在諧振腔中插入可飽和吸收器件來實(shí)現(xiàn)（圖1-3(b)）。因此一個(gè)好的可飽和吸收器件是調(diào)Q激光器獲得短脈沖、高峰值功率的關(guān)鍵元件。1966年，DeMaria等人首次用SA在Nd:glass激光器中實(shí)現(xiàn)了的被動(dòng)鎖模，獲得了ps量級(jí)的超短脈沖[33]。近年來，研究和探索新型高性能的可飽和吸收體（SAs）已成為激光研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域，可飽和吸收體的探索和發(fā)展極大地促進(jìn)了激光器的發(fā)展。1.3.2鎖模激光技術(shù)1946年，鎖模技術(shù)首次應(yīng)用在了He-Ne激光器上，這使得該技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展。在激光器未經(jīng)鎖模時(shí)，是自由振蕩的，為多縱模輸出。多個(gè)縱模各自獨(dú)立，位相和振幅都隨機(jī)，無法產(chǎn)生持續(xù)的相干作用。假設(shè)單個(gè)縱模的電場(chǎng)可以表示為下式Eq(t)=Eqcosωq+φq1.2其中Eq是第q個(gè)縱模的振幅，ωq和φq是第q個(gè)縱模的角頻率和初始相位。而多縱模輸出激光器的光強(qiáng)是一個(gè)平均值，為各縱模光強(qiáng)的累計(jì)疊加。若諧振腔內(nèi)有2N+1個(gè)模式起振，則由這2N+1個(gè)縱模所疊加的場(chǎng)強(qiáng)為E(t)=Eqcosωq+φqNq=-N1.3則在自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器內(nèi)，若各縱模的振幅相同，皆用E0表示，輸出光強(qiáng)可以表示為I∝(2N+1)E021.4若是采用鎖模技術(shù)，使激光器各振蕩縱模之間的頻率間隔一定且具有確定的相位關(guān)系，則多縱模之間就會(huì)產(chǎn)生相干作用，輸出有規(guī)則的脈沖序列。若諧振腔內(nèi)有2N+1個(gè)
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2882229