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半导体侧面泵浦Nd:YAP蓝光激光器研究

凌铭  
【摘要】: 大功率、高重频及高光束质量的全固态深蓝激光器是新一代的固体蓝光激光器件,广泛应用于激光演示、超高密度光存储、海洋资源探测、激光通信领域。本文通过理论研究和实验,提出了一种获得深蓝激光的方法,对半导体侧面泵浦Nd:YAP腔内三倍频脉冲蓝光激光器进行了研究,主要内容为: 1、回顾了蓝光激光器的发展历程、研究背景、特点、应用及实现蓝色激光输出的方法,综述了国内外半导体泵浦全固态蓝光激光器的研究进展。研究了Nd:YAP的晶体特性、能级结构、阈值功率、最佳透过率及正交晶系晶体中的椭圆高斯光束传播规律。 2、设计了蓝光激光器的单元器件及谐振腔结构,选择了最佳组合膜系、非线性晶体,依据光线追迹原理,用Matlab数值分析软件对耦合系统进行了优化设计。 3、对侧面泵浦Nd:YAP的热透镜效应进行了研究,分析了Nd:YAP晶体的温度分布、热透镜焦距。选择合理的热透镜测试方法,测试了Nd:YAP晶体的热透镜焦距。实验确定了泵浦二极管阵列的最佳冷却温度,用Ansys热分析软件分析了垂直b轴横截面上的温度分布,其等温线为一椭圆。 4、首次运用具有偏振特性的Nd:YAP晶体代替格兰-傅科棱镜起偏电光调Q,获得了良好的调Q效果,在泵浦电流75A,注入峰值功率513W,泵浦脉宽180μs、重复频率为1kHz时,获得了单脉冲峰值能量6.7mJ,脉宽为91ns的1341.4nm激光,光-光转换效率20.4%。该调Q方法可减少腔内损耗,降低阈值,实验与理论计算符合较好,可提高激光器输出能量约20%。 5、提出了一种V型折叠腔像散补偿方法,用腔内振荡的正交晶系激光介质的椭圆高斯光束,可补偿V型折叠腔的像散,使椭圆光斑变为圆光斑。用直腔和V型腔输出的1341.4nm和670.7nm激光实验,获得了圆光斑。该补偿方法可减少腔内器件,补偿效果好。 6、用ABCD矩阵及等价G参数法,理论计算了带有热透镜的平凹腔和V型折叠腔的腔参数。用Matlab数值分析软件优化后,获得了最佳的V型热稳腔和平凹热稳腔参数;根据相位匹配原理,选择Ⅱ类临界相位匹配切割的KTP为二倍频非线性晶体,Ⅰ类临界相位匹配切割的LBO为三倍频非线性晶体,计算得到了最佳相位匹配角和合理的偏振匹配条件。 7、在半导体激光阵列泵浦峰值功率513W、泵浦脉宽180μs、重复频率为1kHz时,获得了单脉冲峰值能量2.1mJ,脉宽为70ns的670.7nm红光,光光转换效率为2.27%。相同泵浦条件下,获得了单脉冲峰值能量887μJ的447nm深蓝激光,功率不稳定度2.1%,光谱线宽1nm,无准三能级倍频特有的“蓝光噪声”,脉冲宽度为51ns光光转换效率为0.96%,这是国内最窄脉冲宽度和最高转换效率的深蓝447nm激光报道。


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