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Nd:YLF晶体特性及全固态激光器研究

潘淑娣  
【摘要】: 激光二极管泵浦的全固态激光器因具有效率高、结构紧凑、寿命长、光束质量好等优点,在材料加工、军事、医疗和科研等领域得到广泛的应用,成为目前激光领域的研究热点。激光晶体增益介质是激光器的核心部件,它的光谱和物理特性决定了激光器系统的整体设计和输出特性。在众多激光晶体中,掺钕离子的氟化钇锂(Nd:YiLF_4 , Nd:YLF)晶体因其特有的激光特性而赢得了重要的地位。它优良的激光特性主要表现在:(1)1.053μm的激光波长与磷酸玻璃和氟磷酸玻璃的增益峰值非常匹配,使它在巨大能量(功率)玻璃放大链主振荡功率放大(MOPA)、预放和一级放大中得以充分应用;(2)480μs的上能级寿命使它的储能性分别高出Nd:YAG和Nd:YVO4两倍和五倍,同时它的发射截面与上能级寿命乘积因子与Nd:YAG相当,可广泛用于低阈值的全固态微片激光器;(3)具有很好的偏振特性,它的自然双折射远大于热致双折射,抑制了热退偏效应,在大功率泵浦情况下可获得稳定输出。综合Nd:YLF晶体弱的热透镜效用、大的增益线宽、强的自然偏振振荡和很高的储能性等特性,到目前为止,它已广泛地应用于MOPA、高能量脉冲、中等重复频率(kHz)的调Q开关、连续波以及皮秒锁模等各种激光器件中,发挥着其它晶体无法取代的重要作用。由于晶体生长等方面的原因,相对于较为普遍的Nd:YVO4和Nd:YAG晶体来说,国内关于Nd:YLF晶体的激光特性研究开展得很少。本论文从研究Nd:YLF晶体特性入手,较系统的进行了全固态Nd:YLF激光特性的理论和实验研究。主要内容概括为: 1、测量了Nd:YLF晶体的发射谱、吸收谱和拉曼谱,讨论了晶体的发射谱线、荧光分支比、上能级寿命、拉曼谱线等光谱参数,总结了晶体的物理和光学特性;根据激光器的近阈值条件,给出了一种测量晶体内部损耗系数的方法,并用该方法测量了Nd:YLF晶体的内部损耗系数。 2、用热弹性理论推导出晶体热应力与端面泵浦功率、泵浦光斑、晶体掺杂浓度、吸收系数之间的关系式,以及输出功率与输出镜透过率、泵浦光斑、晶体掺杂浓度和吸收系数之间的关系式,并对这些物理量之间的变化规律进行了比较详细的分析。这一理论研究结果未见国内相关文献报道,该结果对端面泵浦激光器的设计、预测实验结果和避免晶体断裂提供了理论依据。 3、理论和实验研究了Nd:YLF的连续波运转激光特性,包括1053nm、1047nm、1313nm、1321nm激光振荡特性。实现了5.3W连续波1053nm激光运转,在理论上对实验结果进行了模拟,给出了300μm端面泵浦光斑、5%透过率、1.0at.%-Nd:YLF晶体最大泵浦功率的参考值。 4、实验研究了Nd:YLF声光调Q激光特性,在泵浦源和腔型设计完全相同的条件下,比较了Nd:YLF和Nd:YVO4声光调Q激光的输出特性。同时还研究了声光调Q腔内和腔外KTP倍频Nd:YLF绿光特性,测量了不同泵浦功率下的输出功率、脉宽,计算了光束质量因子M2和功率稳定度。 5、实验研究了Nd:YLF的双波长激光输出,证明了Nd:YLF晶体可以实现双波长激光。 6、实验研究了Nd:YLF的Cr~(4+):YAG被动调Q激光特性,在泵浦源和腔型设计完全相同的条件下,比较了Nd:YLF、Nd:YVO4、Nd:GdVO4三种晶体的被动调Q输出特性,并对Cr~(4+):YAG被动调Q和调Q锁模(QML)Nd:YLF激光进行了理论和实验研究,对不同小信号透过率的Cr~(4+):YAG,在不同泵浦功率下的输出功率、脉宽、脉冲能量、峰值功率、锁模调制深度进行了测量;理论上,考虑Cr~(4+):YAG的激发态吸收,对调Q锁模波形进行了模拟,分析了影响Cr~(4+):YAG锁模调制深度的关键参数,模拟了100%调制深度的调Q锁模脉冲波形。 7、采用三镜腔结构,实现了深度调制的调Q锁模Nd:YLF/GaAs激光运转,GaAs同时作为可饱和吸收体和输出镜,对不同泵浦功率下的输出功率、重复频率、锁模脉冲的自相关函数和激光线宽进行了测量,用Sech2函数对自相关信号进行了模拟,分析了Nd:YLF晶体的上能级寿命、受激发射截面、荧光线宽对调Q锁模运转的影响,给出了优化调Q锁模运转的方法。 8、首次用低温生长的透射式SESAM,实现了3皮秒脉宽的Nd:YLF连续锁模激光运转,重复频率98MHz,平均功率530mW;分别用透射式和反射式SESAM比较了Nd:YLF激光特性,测量了激光阈值、连续锁模阈值、激光谱宽、锁模脉宽。用SESAM锁模理论,分析了Nd:YLF晶体上能级寿命、受激发射截面、荧光线宽对实现连续波锁模运转的影响。 9、以KTP为光参量转换晶体,实现了内腔单谐振光参量振荡(OPO)1.5μm人眼安全波长激光输出。测量了不同泵浦功率下的OPO阈值、信号光功率、脉宽、单脉冲能量,并对这些参量随重复频率的变化规律进行了分析。选取合适的初始值和参量值,用Fortran和Origin软件,对实验结果进行了理论模拟,分析了Nd:YLF晶体特性对参量转换效率的影响,给出了优化信号光输出的关键因素。


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