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注入锁频2μm固体激光器研究

王振国  
【摘要】: 随着气候环境的恶化,人们对大气风场数据的需求越来越迫切。相干多普勒测风激光雷达引起了世界多个国家的关注和重视。2μm固体激光器因其体积小、成本低、大气消光比低、人眼安全等优点,成为相干多普勒测风激光雷达的首选光源。采用注入锁频技术的固体激光器,其输出的激光脉冲可以满足相干多普勒测风激光雷达对激光光源的要求,既满足单纵模、窄线宽、高频率稳定度,又要有足够的单脉冲能量和足够的脉冲宽度。注入锁频激光器的基本组成包括主激光器(种子激光器)、从激光器(环形功率腔)和注入锁频伺服系统。本文从理论和实验两个方面对注入锁频2μm固体激光器进行了研究和探索。 首先,测量了Tm3+,Ho3+在不同基质中的可见波段和红外波段吸收光谱、红外波段发射光谱以及荧光寿命,得到增益介质的吸收系数和发射截面,并对不同基质下Tm,Ho激光介质的光谱特性进行了比较分析。利用Tm,Ho:YLF的精细能级分裂数据,计算出激光器模型求解过程所需的必要参数。 理论方面,根据Tm,Ho双掺杂晶体的粒子跃迁机制,建立了低温下连续输出Tm,Ho固体激光器的准四能级速率方程理论模型,得到激光跃迁初始反转粒子数密度与泵浦功率的关系。分析了掺杂粒子浓度对泵浦量子效率的影响。从Tm,Ho双掺杂调Q环形激光器的速率方程出发,得到激光上能级初始反转粒子数密度、输出脉冲宽度的解析表达式。分析了各种参数对输出脉冲宽度的影响,讨论了能量上转换和自发辐射等非线性效应对调Q动静比的影响,并指出采用脉冲泵浦方式是低重频下提高调Q动静比的有效手段。在注入锁频激光器理论方面,介绍了种子注入对注入锁频激光器腔内初始光场分布的影响,讨论了注入锁频激光器的最大频率失谐量与最小种子注入功率。分析了注入锁频的纵模匹配条件,并得到环形腔激光器频率失谐量的计算表达式。 实验方面,设计并实现注入锁频2mm固体激光器。实验研究了不同基质下Tm,Ho微片激光器的输出特性。并得出结论,降低泵浦光和腔内振荡光的匹配度可获得更高的单纵模输出功率。对比微片厚度为0.9mm、0.5mm的Tm,Ho:YLF微片激光器和复合腔激光器的单纵模激光输出可知,减小激光器的有效腔长将获得更高的单纵模输出功率,但也会导致输出激光的光束质量和光斑的远场分布变差。 利用ABCD环绕矩阵,优化设计了“8”字环形腔从激光器。并实验研究了连续运转和调Q运转下,谐振腔腔长、输出耦合镜透过率等参数对低温Tm,Ho固体激光器输出特性的影响。重点研究了不同谐振腔长、不同输出耦合镜透过率下,激光器输出脉冲宽度随输出单脉冲能量的变化;以及激光器输出单脉冲能量、脉冲宽度、峰值功率、调Q动静比随脉冲重复频率的变化。 最后,进行了注入锁频激光器的实验研究。设计了种子光与环形腔的横模匹配耦合系统,提高种子光能量的利用率;设计了注入锁频的伺服系统,使激光器可以进行精确的纵模匹配,并给出了各元器件应满足的控制时序关系。最终实现了2mm固体激光器的注入锁频,获得频率锁定时激光器输出特性的变化,并测量了激光器的最大频率失谐量。


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