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Nd:YVO_4,Nd:GdVO_4,BaWO_4,SrWO_4固体拉曼激光器

苏富芳  
【摘要】: 受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)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。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。 固体拉曼激光器可以通过拉曼发生器、外腔、内腔或者耦合腔来实现拉曼激光的输出。拉曼晶体还可以掺入激光离子,例如Nd~(3+)离子,在这种情况下,一块晶体可以同时作为激光增益介质和拉曼增益介质使用。 速率方程是研究激光器特性的有效理论工具。在传统的调Q速率方程中,加入描述SRS效应的项和一阶斯托克斯光(Stokes)的微分方程,可以用来描述内腔式拉曼激光器的输出特性。平面波近似的速率方程认为,腔内的光子数密度和初始反转粒子数密度在光束截面内是均匀的,只是时间的函数,与空间没有关系,并且还认为散射光的光束截面与基频光的相同。实际激光器腔内模式的横向分布是不均匀的,通常假定激光器TEM_(00)基模运转,光束的横向分布可以近似为高斯分布。考虑空间分布的速率方程能更精确的分析调Q拉曼激光器的激光脉冲特性。 内腔式拉曼激光器由于能充分利用腔内高的功率密度,所以受激拉曼散射阈值低,转换效率高。而且由于用LD作为泵浦源的全固态内腔式拉曼激光器结构紧凑,效率高,性能稳定,因而近几年来内腔式固体拉曼激光器的研究受到广泛关注。 本论文以Nd:YVO_4和Nd:GdVO_4晶体作为拉曼介质,对Nd:YVO_4和Nd:GdVO_4主动和被动调Q内腔式拉曼激光器进行了系统的理论和实验研究。以BaWO_4晶体和SrWO_4晶体作为拉曼介质,研究了外腔式拉曼激光器的输出特性。本文研究的具体内容为: 1.通过考虑腔内基频光和拉曼光光子数密度的横向分布,以及热透镜效应对固体拉曼激光器输出特性的影响。首次得出了考虑基频光光子数密度、拉曼光光子数密度空间分布以及晶体热效应的主动调Q内腔式拉曼激光器的速率方程。该速率方程能更好的描述拉曼激光器的输出特性。 2.以Nd:YVO_4晶体同时作为激光介质和拉曼介质,采用声光调Q,研究LD端面泵浦主动调Q Nd:YVO_4自拉曼激光器的输出特性。即在不同的脉冲重复率下,拉曼光的平均输出功率、脉冲能量、脉沖宽度与泵浦功率的变化关系。数值求解了考虑空间分布及热透镜效应的主动调Q内腔式拉曼激光器的速率方程,得到的理论结果与实验结果能很好地符合。 3.以Nd:GdVO_4晶体同时作为激光介质和拉曼介质,采用声光调Q,首次实现了LD端面泵浦主动调Q Nd:GdVO_4自拉曼激光器在1173nm的高效运转。当泵浦功率为9.6W,脉冲重复率为30kHz时,实验获得拉曼光的最高输出功率为1.22W,相对于LD泵浦功率的转换效率为12.7%。数值求解了考虑空间分布及热透镜效应的主动调Q内腔式拉曼激光器的速率方程,得到的理论结果与实验结果能很好地符合。 4.以Nd:YAG晶体作为激光介质,GdVO_4晶体作为拉曼介质,采用声光调Q,首次实现了LD端面泵浦主动调Q Nd:YAG/GdVO_4内腔式拉曼激光器的高效运转。具体研究了在不同的实验条件下,拉曼光的平均输出功率、脉冲能量以及脉冲宽度与泵浦功率的变化关系。 5.研究了被动调Q内腔式拉曼激光器的速率方程,推导了考虑空间分布的被动调Q内腔式拉曼激光器的速率方程。首次对新的速率方程进行了归一化处理,通过数值求解该速率方程,得到了各个综合参量对内腔式拉曼激光器性能的影响。 6.以Nd:GdVO_4晶体作为激光介质和拉曼介质,以Cr~(4+):YAG晶体作为饱和吸收体,实现了LD端面泵浦被动调Q自拉曼激光器的高效运转;以Nd:YAG晶体作为激光介质,GdVO_4晶体作为拉曼介质,首次实现了LD端面泵浦被动调Q Nd:YAG/GdVO_4内腔式拉曼激光器的高效运转。数值求解了考虑空间分布的被动调Q内腔式拉曼激光器的速率方程,理论计算结果能较好的描述实验结果。考虑空间分布的速率方程可以精确地描述内腔式拉曼激光器的特性。 7.以BaWO_4晶体作为拉曼介质,以主动调Q Nd:YAG激光器产生的波长为1064nm的激光作泵浦源,实现了外腔式BaWO_4拉曼激光器在红外纳秒脉冲泵浦下的高效运转。实验得到一阶Stokes激光的最大脉冲能量和最高转换效率分别为39.9mJ和60.3%,二阶Stokes激光的最大脉冲能量和最高转换效率分别为22.6mJ和34.9%。以SrWO_4晶体作为拉曼介质,研究了外腔式拉曼激光器的输出特性。实验得到一阶Stokes激光的最大脉冲能量和最高转换效率分别为23.9mJ和36.2%,二阶Stokes激光的最大脉冲能量和最高转换效率分别为16.4mJ和25.4%。本论文主要创新点如下: 1.考虑了热透镜效应对拉曼激光的影响,得出了考虑基频光和拉曼光的光子数密度空间分布以及晶体热效应的主动调Q内腔式拉曼激光器的速率方程。该速率方程能很好的描述主动调Q内腔式拉曼激光器的输出特性。 2.首次实现了LD端面泵浦主动调Q Nd:GdVO_4自拉曼激光器在1173nm的高效运转。当泵浦功率为9.6W,脉冲重复率为30kHz时,实验获得拉曼光的最高平均输出功率为1.22W,相对于LD泵浦功率的转换效率为12.7%。 3.首次实现了LD端面泵浦主动调Q Nd:YAG/GdVO_4内腔式拉曼激光器的高效运转。研究了在不同的脉冲重复率下,拉曼光的输出特性与泵浦功率之间的变化关系。当LD泵浦功率为9.6W,脉冲重复率为20kHz时,得到拉曼光的最高平均输出功率为1.35W,相对于LD泵浦光的转换效率为14.1%。 4.在被动调Q激光器速率方程的基础上,建立了考虑腔内光子数密度空间分布、反转粒子数横向分布以及光场的纵向分布的被动调Q内腔式拉曼激光器的速率方程。并首次对速率方程进行了归一化处理,通过数值求解该速率方程,得到了各个综合参量对内腔式拉曼激光器脉冲性能的影响。 5.实现了外腔式BaWO_4拉曼激光器在红外纳秒脉冲泵浦下的高效运转。实验得到一阶Stokes激光的最大脉冲能量和最高转换效率分别为39.9mJ和60.3%,二阶Stokes激光的最大脉冲能量和最高转换效率分别为22.6mJ和34.9%。


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