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《山东大学》 2016年
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Cr~(2+):ZnSe和Cr~(2+):ZnS晶体特性及其中红外激光器件的研究

王兆伟  
【摘要】:2-3μm波段中红外相干光源无论在有机分子光谱学、遥感探测、红外光电对抗、自由空间及卫星通信领域,还是在无损伤生物医疗、科学前沿等诸多领域都具有非常重要的应用价值和极其广阔的应用前景。最近十几年,一种新型的前沿技术引领了中红外激光发展的前进方向,即过渡金属离子掺杂Ⅱ-Ⅵ族(TM2+:Ⅱ-Ⅵ)激光晶体。由于室温下超宽的吸收、发射带宽,很大的吸收、发射截面,不存在激发态吸收以及适合激光二极管(LD)直接泵浦等诸多优点,Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS激光晶体材料被誉为“中红外的钛宝石”。基于Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS晶体的中红外激光不仅位于“大气窗口区”,而且被称为“分子指纹区”。因此,世界各国的研究人员一直致力于研制高性能的Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS晶体材料及其中红外激光器件。国际上,基于Sergey B. Mirov、和Irina T. Sorokina、晶体及其激光器件的研究工作已经取得了卓越的成就。其中,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、美国阿拉巴马大学IPG Photonics挪威科技大学Q-Peak美国Cr2+:ZnSe以及Cr2+:ZnS科技公司等科研团队在这一领域贡献卓著。然而,国内科研工作者对Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS晶体及其器件的研究仍然非常薄弱。鉴于此,本论文密切跟踪这一前沿技术,全面研究Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS晶体材料的基本特性及其中红外激光器件,为推动我国中红外固体激光整体水平的提高贡献出微薄之力。首先,着重介绍了Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS晶体材料在中红外波段的结构特性、能级特性和光学特性,继而评估了Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS晶体材料在中红外全固态激光器件中的巨大应用潜能。并且对Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS可饱和吸收体在2μm波段的被动锁模特性进行了深入地研究;进而以Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS晶体为可饱和吸收体,在2 gm波段实现了被动调Q锁模运转的Tm:YALO3激光器。另一方面,全面研究了基于Cr2+:ZnSe增益晶体的高功率连续波、宽调谐以及被动调Q运转中红外激光器。其一,在2.4 μm中红外波段实现了高功率运转的Cr2+:ZnSe连续波激光器。并且探索研究了Cr2+:ZnSe晶体的泵浦光源:Tm:YALO3全固态激光器和Tm光纤激光器;对比研究了Cr2+:ZnSe晶体对泵浦光的吸收。其二,深入研究了Cr2+:ZnSe激光器在中红外波段的宽调谐特性。详细分析了调谐元件(色散棱镜和双折射滤波片)的基本调谐原理;并且分别以氟化钙棱镜和双折射石英片为调谐元件,在中红外波段实现了高功率运转的宽调谐Cr2+:ZnSe激光器。最后,在2.4μm中红外波段实现了被动调Q运转的Cr2+:ZnSe激光器。探索研究了SiC高温热解石墨烯和黑磷两种二维可饱和吸收材料,并分别应用于Cr2+:ZnSe激光器,实现了被动调Q运转的中红外脉冲激光输出。本论文的研究成果对探索LD直接泵浦获得中红外激光,扩展现有中红外光源技术途径具有一定的科学意义和应用价值。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN24

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