Pr～（3+）：ZBLAN光纤中基于4f5d能级的上转换紫外激光理论研究

【摘要】：世界上第一台激光器诞生四十多年以来，激光技术和激光器的种类取得 了长足的发展。但是现代学科技术的进步对激光器本身提出了更高的要求， 使激光技术向全固化、小型化、宽波段、可调谐、紫外和远红外、易操作等 方向发展。 由于介质中稀土激活离子的 5d 电子和晶场的强相互作用，4fN-15d 能级 呈现准连续分布，其宽带荧光发射位于紫外区域。显然，稀土离子的 4fN-15d 能级可能是产生宽带可调谐紫外激光的理想激光工作能级。在 Ce3+:LiCaAlF6 /LiLuF4 晶体中已经实现基于 5d 能级的直接激发可调谐紫外激光。由于稀土 离子的 4fN-15d 能级的直接激发位于真空紫外或近真空紫外波段，增加了激 光系统的复杂性。所以，通过频率上转换激发实现基于 4fN-15d 能级的紫外 激光输出具有重要意义。 为了实现稀土离子掺杂激光材料中基于 4fN-15d 能级的上转换紫外激光 输出，理论上研究其上转换激发和激光过程的动力学行为是十分必要的。本 论文的研究目的是，从理论上研究上转换泵浦稀土掺杂离子 4fN-15d 能级产 生紫外激光的可行性。 首先本论文研究了在 Yb3+:Pr3+:ZBLAN 和 Pr3+:ZBLAN 光纤中 4f5d 能级 上转换激发动力学过程。结果表明，在 Yb3+:Pr3+:ZBLAN 光纤中，通过 Yb3+ 敏化激发 Pr3+离子和 Pr3+激发态共振吸收的上转换激发途径，可以实现 4f5d 能级的上转换激发，而且该能级与 I6或者 S0能级之间存在明显的粒子数反 1 1 转；在 Pr3+: ZBLAN 光纤中，通过两步共振激发可以实现 4f5d 能级上转换激 发，该能级与 I6、1S0能级以及 H4、3F4的最高 Stark 能级间可形成粒子数反 1 3 转；比较而言，在 Pr3+:ZBLAN 光纤中比较容易实现 Pr3+的 4f5d 能级和 4f2 能级之间的粒子数反转，进而实现 4f5d 能级上转换紫外激光。另外，还计算 第 107 页 共 114 页 WP=110 吉林大学硕士学位论文 了光纤中泵浦光的衰减过程、吸收系数、各能级的粒子数密度分布、有效光 纤长度、4f5d 总荧光功率和泵浦效率等上转换激发过程参量。 另外，本文分别以 H4和 I6作为激光能级，研究了 Pr3+:ZBLAN 光纤中 3 1 4f5d 上转换紫外振荡器的激光特性。计算结果给出两种激光系统的第一和第 二阈值泵浦功率、激光输出功率、斜率效率和最佳光纤长度等激光参量。结 果表明，3H4 为激光能级的激光器中，阈值都随光纤长度的增加而增大。激 光器的斜率效率随着光纤长度的增长而增大，当光纤足够长时，斜率效率趋 于常数(10%)。给定激光器基本特征参数，存在一个最佳光纤长度使激光输 出功率最大，在大泵浦功率的极限下，最佳光纤长度大约为 14 m。1I6 为激 光能级的激光器中，较短的光纤长度和较高的输出镜反射率需要较低的阈 值。低 Pr3+浓度和高背景损耗不利于高输出功率。斜率效率与光纤长度有明 显的关系。给定光纤长度，存在一个饱和泵浦功率使得输出功率最大。第一 和第二泵浦光的饱和泵浦功率随光纤长度的增加线性地增大，而且第二饱和 泵浦功率比第一饱和泵浦功率大得多。给定激光器基本特征参数，存在一个 最佳的光纤长度使输出功率最大。 我们的计算表明，4f5d 上转换紫外光纤激光器的斜率效率只有 10%左 右，而光光转换效率更低，如果能够构建 4f5d 上转换紫外光纤放大器，实现 对前一级激光振荡器的功率放大，从而实现较大功率的激光输出，将具有十 分重要的现实意义。本文以 H4为激光下能级，研究了 Pr3+:ZBLAN 光纤中 3 4f5d 上转换紫外放大器的工作特性。计算结果给出放大器的信号光饱和功 率、输出功率、斜率效率和最佳光纤长度等激光参量。结果表明，输入信号 光存在一个饱和功率，当大于饱和功率时，输出功率几乎与输入信号光功率 大小无关。信号光饱和功率几乎不随泵浦功率和光纤长度而变化，大约为 2 mW。在相同条件下，放大器的输出功率和斜率效率(输入信号功率大于 1 mW) 比振荡器的高 2 至 3 倍，所以，利用放大器可显著提高激光器的输出功率和 斜率效率。给定放大器基本特征参数，存在一个最佳光纤长度使得输出功率 第 108 页 共 114 页 WP=111 吉林大学硕士学位论文 达到最大。当放大器的输入信号功率大于 1 mW 时，光纤放大器的最佳光纤 长度比振荡器的长得多。 由于放大器需要另外提供信号光输入，这将给整个激光器系统的结构带 来复杂性。主振荡器功率放大器(MOPA)激光系统可以很好地解决这个问题。 本文以 H4为激光下能级研究了上转换紫外主振荡器功率放大器的激光动力 3 学行为，计算结果给出最佳主振荡器光纤长度以及 MOPA 输出功率、斜率效 率和最佳光纤长度等激光参量。结果表明，存在一个最佳主振荡器长度使输 出功率最佳，最佳主振荡器长度与 MOPA 长度和泵浦功率无关，约为 1 m。 随着 MOPA 长度的增加，斜率效率趋于常数(27%)；和单纯的放大器相比， MOPA 的输出功率和斜率效率与相同条件下放大器的相当，所以，MOPA 完 全可以替代