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红外激光纳米增益材料制备及大功率激光输出特性研究

许周速  
【摘要】:激光增益介质一般包括固体(例如Nd~(3+):YAG、Yb~(3+):YAG)、半导体(例如GaAs、InP)、液体(例如有机染料溶液、掺Nd~(3+)无机液体)、气体(例如CO_2、He-Ne)等。传统上,这些增益介质都是体材料或块材料。近年来,半导体纳米晶体材料(量子点)作为激光增益介质得到了人们的极大关注。量子点由于其特殊的量子限域效应、量子尺寸效应等,使得其展现出与普通体材料完全不同的光学、电学特性,例如其发光谱由连续谱变为分立的离散谱、发光波长与其尺寸有关、明显的斯托克斯频移,等等,使得其在光电子增益型器件(光放大器、激光器)、太阳能电池、生物医学、示踪剂等方面开拓了极为广阔的应用前景。 本文主要围绕先进制造技术中的加工源――激光器开展工作。由于激光加工光源通常为红外激光器,因此,本文从红外激光增益介质材料制备入手,制备了PbSe量子点玻璃和量子点光纤。提出了新型的波长可调谐的光纤激光器――PbSe量子点光纤激光器(QDFL),分析了其动力学机理,进行了数值计算和模拟,得到了量子点光纤激光具有掺杂饱和浓度低、光纤饱和长度短、泵浦效率高等特点,然而,光纤温升较为明显。同时,针对目前普遍存在的大功率横流CO_2激光光束质量问题展开研究,理论分析了其横模的形成机理,建立了较为完整的激光能级粒子数速率方程,进行了数值计算和模拟,得到了电极结构和气体流速是影响激光横模和功率主要因素的结论。主要工作如下: 1.采用ZnSe代替Se作为PbSe量子点的硒源,通过高温熔融-热处理法,成功制备了较高浓度的PbSe量子点硅酸盐玻璃。通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、荧光光谱(PL)等方法对PbSe量子点玻璃进行表征。结果表明,制备的PbSe量子点在玻璃中的含量高,且PL峰值强度和FWHM大。同时探索不同热处理条件对量子点尺寸和荧光发射的峰值波长、半高宽和辐射强度的影响。 2.采用高温熔融-热处理法尝试制备PbSe量子点碲酸盐玻璃。通过XRD等方法进行检测,结果表明,碲酸盐玻璃中没有PbSe量子点晶体析出。我们总结分析了实验结果,并对形成原因做了探讨。 3.采用熔融拉丝法,将PbSe量子点硅酸盐玻璃拉制成量子点光纤。用光学显微镜、XRD和TEM等方法对其进行了观测与分析。结果表明,制备的光纤直径均匀、表面光滑、直径与普通光纤接近(125μm)。通过热处理后,光纤中含有一定量的PbSe量子点,其机械性能与普通的SiO_2光纤差不多。 4.利用PbSe量子点作为光纤激光增益介质,基于PbSe量子点的吸收和发射谱,建立了二能级系统的粒子数速率方程、光传播方程和热传导方程,并数值求解之,探索了不同泵浦方式对QDFL输出功率的影响,分析了QDFL的温度分布特点,发现QDFL的温度远高于传统的掺镱光纤激光器,提出了改善QDFL热效应的方案。 5.针对大功率横流CO_2激光器管板式电极结构,由麦克斯韦方程给出电场空间分布,据此求解时空分布的激光能级粒子数速率方程,得到了激光强度的横向分布。实验测量了激光横模,实验结果与数值模拟得到的激光能量分布基本一致。结果表明电极结构决定了激光横模峰值大小,而气体流动速率影响激光增益峰值和峰值沿气流方向出现的位置。 本文的工作为探索和发现新的红外激光增益介质,探讨其激射产生的机理,从而为今后进一步实际研制新型量子点红外激光器提供依据。对大功率CO_2横模机理的分析和研究,有助于改善和控制激光横模,提高激光模式的稳定性,从而提高激光加工的质量。


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