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《山东大学》 2015年
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全固态中红外2μm波段激光特性研究

冯天利  
【摘要】:2μm波段激光是“人眼安全”激光,处于众所周知的“分子指纹”光谱区域,在环境监测、远程通信、材料加工、医学、计量学、军事等领域具有极其重要的应用。另一方面,2μm激光系统又可以用作中、远红外激光系统的泵浦源,如2.5μm波段Cr2+:ZnSe、Cr2+:ZnS中红外激光,以及以ZnGeP和LiInS为代表的光学参量振荡器(OPOs)的泵浦源,可用于产生3-5μm和8-12μm波长范围的中、远红外激光。鉴于2μm波段激光的广泛应用,近年来引起人们极大的关注。本论文基于Tm3+掺杂和Tm3+、Ho3+共掺块状晶体,对连续、波长可调谐、调Q和锁模2μm波段激光特性进行了理论和实验研究。用双折射石英晶体作为波长调谐元件,研究和分析了Tm:LSO, Tm:SSO和Tm:LiTaO3激光的可调谐激光性能;利用二维声光开关,实现了Tm:LSO, Tm:SSO和Tm:LiTaO3激光的主动调Q运转;利用石墨烯和单壁碳纳米管作为可饱和吸收体分别实现了Tm:LSO, Tm:LiTaO3和Tm:LuAG激光的被动调Q运转;利用Tm:LuAG晶体作为增益介质,基于SESAM锁模技术实现了平均输出功率为瓦级的全固态2μm锁模激光运转,具体内容总结如下:Ⅰ.详细分析了石英晶体的双折射特性及其在2μm波段波长可调谐的机理。研究结果表明,与其他波长调谐器件相比,双折射石英晶体具有设计简单、损伤阈值较高、波长调谐范围广、稳定性好等优点。Ⅱ.利用双折射石英晶体,研究和分析了Tm:LSO, Tm:SSO和Tm:LiTaO3晶体的可调谐激光性能,得到的波长调谐范围分别为145 nm(1936.0 nm-2081.9 nm)、100 nm (1923.9 nm-2023.8 nm)和160 nm (1835 nm-1995 nm)。结果表明双折射石英晶体具有调谐精确度高、范围广的特点,非常适用于基于Tm3+掺杂晶体的全固态宽光谱2μm波段激光。Ⅲ.分析了二维声光Q开关的基本工作原理,研究发现,与普通的一维声光Q开关相比,二维声光Q开关具有更强的关断能力。二维声光Q开关能够充分利用熔融石英的声光品质系数,以较小功率获得较大的衍射损耗,并且衍射损耗与光偏振态无关。在2μm波段,二维声光Q开关大约只需要一维声光Q开关超声功率的1/4-l/5便可以达到相同程度的衍射损耗。Ⅳ.利用二维声光Q开关,实现了Tm:LSO,Tm:SSO和Tm:LiTaO3晶体的2μm主动调Q运转。在Tm:LSO激光中得到了345 ns的最短调Q脉冲,相应的单脉冲能量为0.26 mJ,峰值功率为0.75 kW。在Tm:SSO激光中,得到的最短脉冲宽度为308 ns,相应的单脉冲能量为128μJ,峰值功率为416 W。在Tm:LiTaO3激光中得到的最短脉冲宽度244 ns,相应的单脉冲能量为0.42 mJ,峰值功率为1.65 kW。Ⅴ.详细分析了单壁碳纳米管的物理结构及其光吸收特性和可饱和吸收机理;阐述了单壁碳纳米管热传导的方式和单壁碳纳米管可饱和吸收体的制备方法。研究表明单壁碳纳米管对光的吸收是和其手型和管径的直径有关的,可以通过聚合不同手型和管径的单壁碳纳米管制备成宽带可饱和吸收体。此外,单壁碳纳米管可饱和吸收体还具有热传导系数大、制备方法简单、成本低廉等优点。Ⅵ.将单壁碳纳米管作为调Q元件分别应用在LD泵浦的2 μm Tm,Ho:YAP, Tm:LiTaO3和Tm:LuAG激光中,实现了稳定的调Q运转。使用a切Tm,Ho:YAP和b切的Tm,Ho:YAP晶体,分别在2128.3 nm和2130 nm得到了245 ns和135 ns的调Q脉冲;在Tm:LiTaO3激光中,得到了560 ns的最短脉冲,对应的单脉冲能量和脉冲重复频率分别为10.1μJ和34.2 kHz;Tm:LuAG激光产生的最短调Q脉冲宽度为405 ns,波长位于2021.6 nm,而在2019.7 nm处获得最大的单脉冲能量40.6μJ和最高为1.9 W的平均输出功率。Ⅶ.详细分析了石墨烯的晶格和能带结构;阐述了石墨烯对光的线性吸收和可饱和吸收特性;探究了石墨烯的可饱和吸收与超快弛豫过程的机理。研究结果表明石墨烯具有独特的零带隙结构,其对不同波长的光都有吸收。由于石墨烯具有很高的热导率,使其具有很高的热损伤阈值。此外,石墨烯还具有调制深度大、制作简单等优点,非常适合用于2 μm激光的可饱和吸收体。Ⅷ.将利用化学气相沉积法生长得到的大尺寸石墨稀样品(1-2层)转移到2 gm全反镜上,制备成2 gm可饱和吸收镜。将石墨稀可饱和吸收镜作为调Q元件应用在LD泵浦的2 μm Tm:LSO激光中,实现了稳定的调Q运转。当最大吸收泵浦功率为3.4 W时,得到的最短调Q脉冲宽度为7.8μs,波长位于2030.8 nm,重复频率为7.6 kHz,相应的单脉冲能量为14.0μJ。Ⅸ.详细分析了2 gm波段锁模激光的产生方式;描述了SESAM锁模的基本原理以及锁模动力学过程;从理论上给出了稳定SESAM锁模条件以及不稳定调Q状态的抑制;最后将SESAM应用于2 μm激光中,实现了Tm:LuAG连续激光锁模运转,在2022.9 nm得到了最大平均输出功率为1.21 W,相应的脉冲宽度为38.4 ps,脉冲重复频率为129.2 MHz。论文的主要创新工作包括:1.利用双折射石英晶体,实现了Tm:LSO,Tm:SSO和Tm:LiTaO3晶体的2μm可调谐激光运转,得到的波长调谐范围分别为145 nm (1936.0 nm-2081.9 nm),100 nm (1923.9 nm-2023.8 nm)和160 nm (1835 nm-1995 nm).研究表明Tm:LiTaO3激光具有更高的输出功率和更宽的波长可调谐范围,非常适合用于2μm波段宽带可调谐运转。Ⅱ.利用二维声光开关,实现了Tm:LSO, Tm:SSO和Tm:LiTaO3激光的2μm主动调Q运转。在Tm:LSO激光中得到了345 ns的最短调Q脉冲,相应的单脉冲能量为0.26 mJ,峰值功率为0.75 kW。在Tm:SSO激光中,得到的最短脉冲宽度为308 ns,相应的单脉冲能量为128μJ,峰值功率为416 W。在Tm:LiTaO3激光中得到的最短脉冲宽度244 ns,相应的单脉冲能量为0.42 mJ,峰值功率为1.65 kW。研究表明Tm:LiTaO3晶体有更出色的储能能力,更易获得短脉冲、高单脉冲能量和高峰值功率的主动调Q激光输出。Ⅲ.实现了Tm,Ho:YAP, Tm:LiTaO3, Tm:LuAG, Tm:LSO和Tm:SSO晶体的被动调Q激光运转。使用a切Tm,Ho:YAP和b切的Tm,Ho:YAP晶体,分别在2128.3 nm和2130 nm得到了245 ns和135 ns的调Q脉冲;在Tm:LiTaO3激光中,得到了560 ns的最短脉冲,对应的单脉冲能量和脉冲重复频率分别为10.1μJ和34.2 kHz;Tm:LuAG激光产生的最短调Q脉冲宽度为405 ns,最高为1.9W的平均输出功率,使用Tm:LSO晶体,得到的最短调Q脉冲宽度为7.8μs,相应的脉冲重复频率为7.6 kHz,单脉冲能量为14.0μJ。研究表明,被动调Q Tm,HoYAP激光更容易获得较窄的脉冲宽度和较高的脉冲重复频率,而利用Tm:LuAG晶体更易得到较高的平均输出功率和单脉冲能量。Ⅳ.利用SESAM,实现了Tm:LuAG连续激光锁模运转,在2022.9 nm得到了最大平均输出功率为1.21 W,相应的脉冲宽度为38.4 ps,脉冲重复频率为129.2MHz。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN24

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【参考文献】
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