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激光二极管泵浦Cr~(4+):YAG被动调Q的Nd~(3+):YAG微片式激光器

高涛  
【摘要】: 激光二极管泵浦被动调Q微激光器是一种可以实现短脉冲(ps到ns数量 级)、高的峰值功率(KW级)、高重复频率(KHz数量级以上)的脉冲激 光输出的全固化微型激光器。这种激光器具有效率高、体积小、微型化、性能 稳定、寿命长等优点,在诸如激光雷达、舰船导航、机器人视觉系统、生物医 学、微细加工、环境监测等领域,有重要的潜在应用价值。研究报告围绕激光 二极管泵浦饱和吸收晶体Cr~(4+):YAG被动调Q的Nd~(3+):YAG固态整体微片式激 光器的系统设计与性能优化,在饱和吸收晶体Cr~(4+):YAG的制备与吸收光谱性 能测试分析以及微腔式激光器的输出性能理论计算方面开展工作。 对液相外延YAG晶体的熔体进行Cr_2O_3和CaO掺杂,在未掺杂的YAG 衬底上获得了Cr~(4+):YAG晶体外延层。通过光谱与吸收性的测试分析表明:生 长得到的Cr~(4+):YAG晶体外延层已具有饱和吸收性能;在Cr~(4+):YAG晶体外延 层除Cr~(3+),和Cr~(4+)以外,还可能存在Cr~(5+),并对光谱曲线中Cr~(5+)产生的吸收光 谱跃迁进行了归属~2B_2(~2E)(?)~2B_1(~2T_2);外延生长的Cr~(4+):YAG晶体中Cr~(4+)浓度高 于提拉法单晶;通过控制Cr~(4+):YAG外延层的厚度与Cr~(4+)浓度易于控制饱和透 过率T_s和小信号透过率T_o及其差值△T。 采用晶体场理论和在[CrO_4]~(4-)团簇离子近似下并忽略次邻近离子静电势场 的影响利用单取代组态相互作用近似下的分子轨道方法CIS,分别对Cr~(4+):YAG 晶体中Cr~(4+)的离子能级进行了晶体场与全量子力学计算。结果给出了Cr~(4+)离子 的能级结构,在可见光及近红外范围内的主要光谱特征~3B_1(?)~3A_2、~3B_1(?)~3E(2)和 ~3B_1(?)~1E(1)计算与实验结果符合得相当好。其中分子轨道方法CIS的计算结果 还给出了光谱跃迁的电偶极矩和磁偶极矩以及能级寿命等数据。 推导出了包含可饱和吸收体Cr~(4+):YAG基态吸收损耗与激发态吸收损耗以 及反应激光增益介质能级精细结构关系的被动调Q速率方程。然后在此基础 上结合光纤耦合激光二极管泵浦的特点,编写了Mathematica程序,对这种连 续泵浦被动调Q整体微片式激光器的输出性能进行计算模拟。计算结果给出 了谐振腔长度、泵浦速率、饱和吸收晶体Cr~(4+):YAG的厚度与Cr~(4+)浓度乘积与 电子科技大学博士后研究工作报告 连续激光器被动调Q输出的脉冲宽度、峰值功率与脉冲重频的关系,并且对 二极管激光泵浦的泵浦速率与输入电源功率的对应关系进行了讨论分析。结果 还表明:在较短的谐振腔尺寸(小于 lmm)时,容易获得半高宽吓WHM) 窄*—ps级)、峰值功率高(Kw级)与脉冲重复频率高(儿十个kHz)的 调 Q激光脉冲TEM。输出;通过控制激光二极管的泵浦速率、饱和吸收体 Cr4“:YAG的厚度与 Cr4”浓度乘积,以及输出镜反射率,可以比较容易地控制 L 激光器的调Q激光脉冲输出性能。


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