本文選題：半導(dǎo)體泵浦氣體激光器　切入點(diǎn)：半導(dǎo)體泵浦銫蒸汽激光器　出處：《中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：藍(lán)紫激光光源在激光光譜學(xué)、原子物理、激光醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光顯示及激光水下通信與探測(cè)等一系列基礎(chǔ)研究、高科技產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和國(guó)防工程中有著非常重要的應(yīng)用。通過(guò)倍頻LD泵浦摻Nd3+準(zhǔn)三能級(jí)固體激光器(diode-pumped solid-state laser,DPSSL,0.9μm)是目前產(chǎn)生藍(lán)紫激光常用的技術(shù)方案。與之相比,近年來(lái)受到廣泛關(guān)注和研究的LD泵浦堿金屬蒸汽激光器(diode-pumped alkali vapor laser,DPAL)具有量子效率高、受激吸收/輻射截面大、折射率擾動(dòng)小、輸出線寬窄等優(yōu)點(diǎn),具有研制效率更高的藍(lán)紫激光光源的潛力。鑒于此,本文從理論和實(shí)驗(yàn)方面對(duì)基于LD泵浦的銫蒸汽激光(Cs-DPAL)倍頻藍(lán)紫激光技術(shù)開(kāi)展了以下研究：1、簡(jiǎn)要地介紹了Cs-DPAL的關(guān)鍵技術(shù),包括：Cs蒸汽原子吸收線寬和泵浦源線寬之間的匹配技術(shù)、Cs原子精細(xì)結(jié)構(gòu)之間的碰撞弛豫以及半導(dǎo)體激光的泵浦技術(shù)。采用速率方程理論,對(duì)Cs蒸汽池的溫度、泵浦光的線寬、緩沖氣體的壓強(qiáng)和輸出鏡反射率,對(duì)Cs-DPAL輸出功率的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析。搭建了兩臺(tái)Cs-DPAL,在連續(xù)工作方式下當(dāng)泵浦功率為10W時(shí),可分別輸出功率0.55W和1.44W；在脈沖工作方式下當(dāng)泵浦功率為16W時(shí),可分別輸出功率0.692W和2.6W,并對(duì)兩臺(tái)Cs-DPAL的光束質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量,分別為Mx2=1.02,My2=1.13和Mx2=2.13,My2=2.66。2、采用遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的高斯光束倍頻理論,對(duì)Cs-DPAL可實(shí)現(xiàn)相位匹配的常用的倍頻晶體,LBO、BBO、BIBO以及ppKTP晶體,通過(guò)Ⅰ類(lèi)相位匹配的方式腔外倍頻Cs-DPAL時(shí),聚焦參數(shù)和倍頻晶體溫度對(duì)倍頻效率的影響進(jìn)行了計(jì)算。此外對(duì)上述除ppKTP之外的其它三種晶體,通過(guò)Ⅱ類(lèi)相位匹配方式倍頻Cs-DPAL時(shí),Cs激光在倍頻晶體內(nèi)的光束半徑和束腰位置,對(duì)倍頻效率的影響進(jìn)行了分析。采用搭建的兩臺(tái)Cs-DPAL進(jìn)行腔外倍頻實(shí)驗(yàn)。對(duì)于光束質(zhì)量因子分別為Mx2=1.02,My2=1.13和Mx2=2.13,My2=2.66的Cs-DPAL,在脈沖工作方式下,分別可實(shí)現(xiàn)藍(lán)紫激光輸出功率9.5μW和11.2μW,并就光束質(zhì)量對(duì)倍頻效率的影響進(jìn)行了討論和分析。3、基于速率方程理論,建立了描述腔內(nèi)倍頻Cs-DPAL的兩種算法,對(duì)倍頻光功率、倍頻晶體最優(yōu)長(zhǎng)度和腔內(nèi)倍頻準(zhǔn)二能級(jí)極限的Cs-DPAL進(jìn)行了計(jì)算和分析。采用LBO晶體進(jìn)行了腔內(nèi)倍頻Cs-DPAL實(shí)驗(yàn),對(duì)于連續(xù)和脈沖工作方式,當(dāng)LD泵浦光功率為16W時(shí),倍頻光功率分別為0.22mW和0.36mW,通過(guò)高斯擬合可知,倍頻光功率隨晶體溫度變化曲線的半高全寬約4.1℃。4、采用分步傅里葉法(Split-Step method),對(duì)LBO、BBO和BIBO晶體,通過(guò)Ⅰ類(lèi)相位匹配方式倍頻Cs-DPAL時(shí),Cs激光和倍頻光在晶體內(nèi)的光強(qiáng)分布、倍頻效率、倍頻光的光束質(zhì)量因子進(jìn)行了仿真和計(jì)算。也對(duì)LBO晶體通過(guò)Ⅱ類(lèi)相位匹配方式倍頻Cs-DPAL進(jìn)行了類(lèi)似的計(jì)算。對(duì)不同功率和不同束腰半徑的Cs激光,入射LBO晶體時(shí)產(chǎn)生的溫度分布進(jìn)行了計(jì)算。較為詳細(xì)地討論了晶體內(nèi)的溫度分布對(duì)倍頻過(guò)程,包括對(duì)倍頻效率、倍頻光光束質(zhì)量以及倍頻光光強(qiáng)分布的影響。
[Abstract]:Blue violet laser light in laser spectroscopy, atomic physics, laser medical, environmental monitoring, laser display and laser underwater communication and detection of a series of basic research, it has a very important application of hi-tech product development and national defense project. Through the frequency doubling of LD pumped Nd3+ quasi three level solid-state laser (diode-pumped solid-state laser DPSSL. 0.9 m) is currently the technical plan for generating blue violet laser used. In contrast, in recent years by LD pumped alkali vapor laser wide attention and Research (diode-pumped alkali vapor laser, DPAL) with high quantum efficiency, stimulated absorption / emission cross section, refractive index perturbation is small, narrow linewidth output etc. with the development of high efficiency, blue violet laser light source potential. In view of this, this paper from the aspects of theory and experiment of laser pumped cesium vapor LD (Cs-DPAL) based on frequency doubling blue laser technology to carry out The following research: 1, briefly introduces the key technologies of Cs-DPAL, including: Cs steam matching technology between atomic absorption linewidth and pump linewidth, between the fine structure of Cs atom collision relaxation and semiconductor laser pumping technique. By using the rate equation theory, the temperature of Cs steam tank, pump light linewidth, buffer the gas pressure and the output mirror reflectivity, influence on output power of Cs-DPAL was calculated and analyzed. Set up two Cs-DPAL in continuous way when the pump power is 10W, the output power of 0.55W and 1.44W respectively; under the pulse mode when the pump power is 16W, respectively, and the output power of 0.692W 2.6W, and two sets of Cs-DPAL beam quality are measured, respectively Mx2=1.02, My2=1.13 and Mx2=2.13, My2=2.66.2, the frequency doubling theory of Gauss beam in the far-field condition, can realize the phase matching of Cs-DPAL Crystal, with the commonly used LBO, BBO, BIBO and ppKTP type phase matching crystal, by way of external cavity frequency doubling Cs-DPAL, influence of focusing parameters and the frequency doubling crystal temperature on the frequency doubling efficiency was calculated. In addition to the above except ppKTP and other three kinds of crystal, frequency doubling Cs-DPAL matching through class II phase, Cs laser in the intracavity beam radius and beam waist position, influence on the frequency doubling efficiency was analyzed. The structures of the two sets of Cs-DPAL cavity doubledexperiment. The beam quality factor are respectively Mx2=1.02, My2=1.13 and Mx2=2.13, My2=2.66 Cs-DPAL, under the pulse mode, can realize the blue violet laser the output power of 9.5 W and 11.2 W respectively, and discussed the.3 effect of beam quality on the frequency doubling efficiency, based on the theory of rate equation was established to describe the two algorithms of the intracavity frequency doubled Cs-DPAL times. Frequency doubling crystal optical power, optimal length and intracavity frequency doubling quasi two level limit of Cs-DPAL were calculated and analyzed. The experiment used LBO intracavity frequency doubling of Cs-DPAL crystal for continuous and pulse mode, when the LD pump power is 16W, frequency doubling light power were 0.22mW and 0.36mW, by Gauss fitting, half the second harmonic light power with the crystal temperature curve of the full width of about 4.1 DEG.4, using the split step Fourier method (Split-Step method), LBO, BBO and BIBO crystal, by way of Cs-DPAL type phase matching SHG, Cs laser and the frequency doubling light intensity distribution in the crystal, the frequency doubling efficiency, frequency doubling light beam quality factor the simulation and calculation. Also carried out similar calculations on LBO crystal by type II phase matching SHG. Cs-DPAL Cs laser with different power and different beam radius, produce incident LBO crystal temperature The distribution is calculated. The effect of temperature distribution on the frequency doubling process, including the frequency doubling efficiency, the frequency doubling beam quality and the intensity distribution of frequency doubling light, is discussed in detail.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN248

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