【摘要】：2μm波段的激光不僅在大氣傳輸、煙霧穿透和人眼安全等方面性能顯著,而且可以被水分子、CO2分子和N2O分子等多種分子所吸收,因此在激光測距、激光外科手術、紅外光譜分析以及環(huán)境檢測等不同領域有著重要的應用價值,而不同應用領域對激光輸出性能有不同要求。為了滿足激光加工、激光雷達以及光電對抗等領域對高重復頻率窄脈沖寬度2μm激光器的迫切需求,必須采用具有較大發(fā)射截面,較長能級壽命,熱機械性能穩(wěn)定的激光增益介質。目前,在常溫下只有單摻Ho固體激光器能較好的滿足這個要求,但增益介質可選范圍仍然較小,因此探索新型單摻Ho激光增益介質,為2μm固體激光器提供潛在的、優(yōu)良的激光光源則具有重要的科學研究及應用價值。鑒于此,本論文開展了新型單摻Ho釩酸鹽基質固體激光器輸出特性的研究工作,以期能為相關領域的拓展做出一定的貢獻。首先,對不同機制2μm激光器的發(fā)展狀況進行了詳細的闡述以及分析,明確了利用Tm激光器帶內泵浦單摻Ho激光增益介質獲得高性能2μm激光的必要性。通過對單摻Ho釩酸鹽激光晶體的光譜特性、晶體內溫度場分布和熱透鏡效應的研究,指出單摻Ho釩酸鹽激光晶體在2μm激光輸出性能以及熱管理方面的優(yōu)勢。通過分析單摻Ho釩酸鹽晶體的能級結構,綜合考慮上轉換和基態(tài)損耗的影響,建立了單摻Ho釩酸鹽激光器準四能級速率方程模型。通過對速率方程的求解,理論分析了泵浦光、激光晶體以及諧振腔等參數對單摻Ho釩酸鹽激光器性能的影響,得出了泵浦光束腰位置、最佳泵浦光與振蕩光模式匹配和輸出鏡透過率的最佳范圍,同時指出單摻Ho釩酸鹽晶體是非常優(yōu)良的2μm激光晶體。利用1.94μm Tm光纖激光器作為泵浦源,對單摻Ho釩酸鹽激光器連續(xù)波輸出特性進行了理論分析及實驗研究,結合對釩酸鹽晶體熱透鏡效應的分析,進行了諧振腔的設計以及穩(wěn)定性分析。實驗上,在吸收泵浦功率34W時,Ho:YVO_4激光器的最大輸出功率為12.3W,斜率效率為44.5%。在吸收泵浦功率為34.3W時,Ho:Gd VO_4激光器獲得了11.2W的連續(xù)功率輸出,斜率效率為40.1%。接下來對單摻Ho釩酸鹽主動聲光調Q激光器進行了理論分析以及實驗研究。根據調Q技術原理,建立了主動調Q的速率方程。利用速率方程理論分析了提高脈沖能量、脈沖峰值功率以及壓縮脈沖寬度的可行方法。實驗上,在重復頻率為10k Hz,吸收泵浦功率34.2W時,Ho:YVO_4激光器獲得了平均功率為11.4W的2052nm激光輸出,對應的斜率效率為41.2%,最小脈沖寬度約為19.3ns,而Ho:Gd VO_4激光器則獲得平均功率為10.2W的2048nm激光輸出,對應的斜率效率為37.3%,最小脈沖寬度約為5.8ns。這兩種單摻Ho釩酸鹽激光器均獲得接近衍射極限的光束質量,均為TEM00模激光輸出。最后,對單摻Ho釩酸鹽被動調Q激光器進行了理論分析以及實驗研究。在理論上,研究了Cr~(2+):Zn S晶體的特性,明確了作為2μm被動調Q固體激光器可飽和吸收體的優(yōu)勢,建立了被動調Q運轉激光器的速率方程模型,模擬了Ho:YVO_4激光晶體的反轉粒子數、可飽和吸收體的基態(tài)粒子數以及諧振腔內光子數隨時間和空間的動態(tài)演化過程。實驗上,Ho:YVO_4激光器在腔長為120mm時,獲得了平均功率為8.1W的2053.2nm激光輸出,對應的斜率效率為32.7%,最小脈沖寬度為161.6ns,最高重復頻率為114.6k Hz。Ho:Gd VO_4激光器在腔長為110mm時,獲得了平均功率為8.4W的2049.1nm激光輸出,對應的斜率效率為31.1%,最小脈沖寬度為43.2ns,最高重復頻率為111.2k Hz。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN248.1

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本文編號：2365877