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掺钕钒酸盐0.91μm激光及其倍频蓝光激光特性研究

高静  
【摘要】: 激光二极管抽运的全固态激光器(DPSSL)以其高效率、小型化、长寿命等优点,成为近20年来激光领域研究的热点。掺钕(Nd3+)固体激光介质一直以来都是其中的主要增益介质,对其研究非常广泛。目前,增益较大的1.06μm红外辐射和其倍频产生的0.53μm绿光激光器已经日益成熟,而作为准三能级跃迁产生的0.9μm激光和其倍频产生的蓝光激光器,由于实现起来难度较大,发展一直较为缓慢。鉴于此,本文致力于掺钕钒酸盐准三能级激光产生机理和相关技术的研究,期望能为0.91μm和其倍频0.46μm蓝光激光器的发展做出一定的贡献。 首先对0.9μmDPSSL产生以来,不同几何结构、不同激光介质和不同工作方式的0.9μm及其倍频蓝光激光器的发展做了详细、系统的介绍和分析,明确了其中存在的主要问题。针对关系激光晶体(Nd:GdVO_4和Nd:YVO_4)散热性能的最重要参量—热导率λ(T),目前国际上众说纷纭,实际测量了两者的热导率,并得到了其随温度变化的大致趋势。对于Nd3+掺杂浓度为0.5 at.%的两种晶体,在T=25℃时其a轴的热导率分别约为7.3 W/m·K和6.7 W/m·K,因此,得出在常温下Nd:GdVO_4晶体热导率略大,但总体来说可视为相当的,而并不是先前大家认为的差距那么大。 根据能级跃迁理论和准三能级激光产生机理,建立了考虑上转换(ETU)和激发态吸收(ESA)的0.91μm谱线跃迁的准三能级速率方程。通过数值计算的方法模拟并讨论了ETU和ESA对于抽运阈值、输出功率、反转粒子数空间分布,以及晶体中热效应的影响。发现ETU过程是912 nm激光产生过程中除固有的量子亏损外的另一重要热源。并通过理论模拟与实验结果相对比,估算出912 nm谱线跃迁的ESA等效吸收截面σ_(ESA)~(1.0±0.5)×10~(-20 )cm~2。 为了缓解准三能级激光器中饱受困扰的热效应,基于传热学和流体力学理论,设计并加工了高效的微通道水冷热沉器,有效地提高了0.91μm激光的输出功率和光束质量,获得了10-W量级的高功率、高亮度、高效率输出。 针对0.91μm激光器的光光转换效率和斜坡效率较低的现状,从理论上提出采用π偏振LD光抽运方案,有效地提高了激光晶体对抽运光的吸收率,从而明显地改善0.91μm激光器输出性能。通过实验验证,在π偏振光纤LD光抽运下,对比相同非偏振LD抽运功率下的结果,无论是效率还是输出功率都有明显的提高。 从实验上初步研究了基于声光调Q的高重复频率、窄脉宽、高峰值功率的0.91μm激光输出特性。并采用对热效应不灵敏的Z型腔,通过声光调Q和腔内倍频,获得了0.46μm深蓝激光的高重复频率、短脉宽和较高峰值功率输出。


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