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全固体黄光激光器

李述涛  
【摘要】: 固体激光器具有体积小、效率高、寿命长的优点。560-600nm波长范围的激光在医疗、光谱学、信息存储、雷达、大气探测等领域有广泛的应用,研制输出波长在560-600nm范围的全固体激光器近年来引起众多科研工作者的广泛关注。不同于红、绿、蓝激光,560-600nm波长的激光很难通过直接倍频掺钕材料的激光得到高效、高功率的输出。因而必须寻找其他途径以获得工作于560-600nm波长范围的高效固体激光器,其中,利用晶体中的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)获得黄光激光是一种有效的方法,近年来取得了重要进展。 受激拉曼散射是一种有效的频率转换方法,转换后的激光波长由泵浦光的波长和拉曼介质决定。拉曼介质有气体、液体和固体三种形态,对气体及液体拉曼激光器的研究已经有几十年的时间。与气体和液体拉曼介质相比,固体拉曼介质具有粒子浓度大、体积小、拉曼增益高、热传导性好、机械特性好等优点。而且以晶体作为拉曼介质的固体拉曼激光器结构紧凑,效率高,稳定性好,在信息、交通、测量、医疗、国防和工农业等领域都有重要的应用。 近几年固体拉曼介质及固体拉曼激光器已成为激光材料和器件领域的研究热点。俄罗斯科学家在晶体拉曼介质生长和固体拉曼激光器研究方面做了许多开创性工作,居世界领先地位。此外,美国、德国、澳大利亚和中国台湾等国家和地区的研究者都在积极地参与固体拉曼激光器的研究。其中,澳大利亚的科研工作者在晶体拉曼黄光激光器领域做了大量工作。在中国大陆,山东大学、上海光学精密机械研究所、福建物质结构研究所也在积极地参与固体拉曼激光器的研究工作,在理论和实验方面已经取得了一些研究成果。 通过晶体中的受激拉曼散射获得黄光激光有两种途径:一是利用Nd~(3+)的1.06μm激光作为泵浦源,通过受激拉曼散射产生一阶Stokes激光,再通过倍频便可以得到黄橙波段的激光;二是采用532nm绿光作为泵浦源,通过受激拉曼散射也可以获得黄橙波段的激光。在第一种途径中,激光二极管(LD)泵浦主动调Q腔内倍频拉曼激光器因为把激光晶体、拉曼晶体、调Q晶体和倍频晶体集合在一个激光腔中,不需要额外的激光器作为基频激光源,充分利用了腔内基频光和拉曼光高的脉冲峰值功率密度,具有结构紧凑、体积小、转换效率高等优点,因此成为从晶体拉曼激光器获得黄光输出最重要的途径。通过选择不同的拉曼晶体,可以获得不同波长的黄光激光输出。 磷酸钛氧钾(KTP)作为一种优秀的非线性晶体,具有大的二类相位匹配有效非线性系数、价格便宜、不潮解、受温度变化影响小的优良特性,是腔内倍频拉曼激光器中倍频晶体的理想选择。 本文以KTP作为倍频介质,配合多种拉曼晶体和自拉曼晶体,进行了LD泵浦主动调Q腔内倍频拉曼激光器的研究,在LD侧泵系统中得到了晶体拉曼激光器的最高黄光输出功率,在LD端泵系统中得到了腔内倍频拉曼激光器的最高转换效率,并建立了主动调Q腔内倍频拉曼激光器的理论模型。研究内容主要有: 1.在速率方程中设定泵浦光横向分布为Top-Hat模式,腔内激光横向分布为Gaussian模式,得到了LD泵浦调Q激光器的理论模型,研究了激光器相关参数对激光输出的影响。将该模型与泵浦光和腔内激光横向分布都考虑为Gaussian模式的理论模型及平面波近似下的理论模型进行了比较,证明该理论模型同泵浦光和腔内激光横向分布都考虑为Gaussian模式的理论模型一样能够有效描述LD泵浦调Q激光器的运转。 2.在速率方程中考虑泵浦光、腔内基频光和拉曼光光子数密度的横向分布,考虑热效应对激光器运行的影响,得到了主动调Q腔内倍频拉曼激光器的理论模型,该理论模型能够有效描述此类激光器的运转。 3.研究了以Nd:YAG和GdVO_4分别为激光介质和拉曼介质,LD端泵主动调Q腔内KTP倍频拉曼激光器的黄光激光输出特性。测量了黄光平均输出功率和脉冲宽度在不同脉冲重复率下随泵浦功率的变化。当输入LD泵浦功率为10.1W,脉冲重复率为15kHz时,得到波长为587nm的黄光的最高平均输出功率为763mW,从LD到黄光的转换效率为7.5%。 4.进行了LD端泵主动调Q腔内KTP倍频Nd:YVO_4自拉曼激光器和LD端泵主动调Q腔内KTP倍频Nd:YAG/YVO_4拉曼激光器的实验研究。其中在LD泵浦腔内KTP倍频Nd:YVO_4自拉曼激光器实验中,当输入LD泵浦功率为6.7W,脉冲重复率为15kHz时,589nm激光的平均输出功率为482mW,相对于LD泵浦光的转换效率为7.2%。在LD端泵KTP倍频Nd:YAG/YVO_4拉曼激光器实验中,当输入LD泵浦功率为8.2W,脉冲重复率为15kHz时,588nm激光的平均输出功率为610mW,从LD到黄光的转换效率为7.4%。 5.进行了以Nd:YAG晶体作为激光介质,BaWO_4晶体作为拉曼介质,KTP作为倍频介质,采用声光调Q的LD侧泵腔内倍频拉曼激光器的研究,采用凸平腔设计以减轻高功率泵浦下的热效应的影响,提高了激光器在高功率泵浦下的黄光输出功率。在泵浦功率为99W,脉冲重复率为10kHz时,590.4nm激光的平均输出功率为3.14W,这是从晶体拉曼激光器获得的最高黄光输出功率。 6.分别研究了直腔型和折叠腔型的LD端泵主动调Q腔内KTP倍频Nd:YAG/SrWO_4拉曼激光器的黄光输出特性。在折叠腔型的激光器实验中,当输入LD泵浦功率为12.6W,脉冲重复率为20kHz时,590nm激光的平均输出功率为1.4W,从LD到黄光的转换效率为11.1%,这是目前腔内倍频拉曼激光器的最高效率。 7.研究了以Nd:YAG晶体作为激光介质,KLu(WO_4)_2晶体作为拉曼介质,采用声光调Q的LD端泵内腔式拉曼激光器的拉曼光的激光特性。当输入LD泵浦功率为7.82W,脉冲重复率为20kHz时,得到中心波长为1177.9nm的一阶斯托克斯光的最高平均输出功率为1.33W,从LD到拉曼光的转换效率为17%。并进行了LD端泵主动调Q腔内KTP倍频Nd:YAG/KLu(WO_4)_2拉曼激光器的研究,获得了平均功率为227mW的589nm激光输出。 本论文主要创新点如下: 1.首次建立了翻转粒子数密度为Top-Hat分布,腔内光子密度为高斯分布的LD泵浦调Q激光器理论模型,分析了激光器相关参数对激光输出特性的影响,该理论模型能够有效描述LD泵浦调Q激光器的运转。首次建立了主动调Q腔内倍频拉曼激光器的理论模型,在该模型中,考虑了泵浦光和腔内基频光、拉曼光的空间分布,考虑了激光晶体热效应的影响,该理论模型能够有效模拟该类型激光器的运转。 2.首次实现了LD侧面泵浦主动调Q腔内KTP倍频Nd:YAG/BaWO_4拉曼激光器的高效运转。当泵浦功率为99W,脉冲重复率为10kHz时,实验获得波长为590.4nm的黄光激光的最高平均输出功率为3.14W,这是从晶体拉曼激光器中获得的最高黄光输出功率。 3.首次实现了LD端面泵浦主动调Q腔内KTP倍频Nd:YAG/SrWO_4拉曼激光器的高效运转。其中在三镜折叠腔型的激光器的实验中,当输入LD泵浦功率为12.6W,脉冲重复率为20kHz时,得到590nm激光的最高平均输出功率为1.4W,从LD到黄光的转换效率为11.1%,这是从腔内倍频拉曼激光器获得的最高转换效率。 4.首次实现了LD端面泵浦主动调Q腔内KTP倍频Nd:YAG/GdVO_4拉曼激光器的高效运转。当输入LD泵浦功率为10.1W,脉冲重复率为15kHz时,得到波长为587nm的黄光的最高平均输出功率为763mW,从LD到黄光的转换效率为7.5%。 5.对KTP晶体作为倍频介质的腔内倍频拉曼激光器的运转特性进行了分析和系列实验研究,得到了KTP晶体与相应的激光介质的搭配原则。


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