【摘要】：3μm波段中紅外激光器在醫(yī)療、遙感、大氣環(huán)境監(jiān)測以及光電對抗方面有著重要應(yīng)用。隨醫(yī)療行業(yè)不斷進(jìn)步和人們對健康要求的不斷升級,3μm波段激光由于對水強(qiáng)烈的吸收作用,在醫(yī)療行業(yè),尤其是牙科和外科手術(shù)中占有越來越多的作用。在大氣探測方案中,3μm對大氣中水汽變化的檢測十分敏感,可作為環(huán)境監(jiān)測的良好工具。除此之外,3μm波段激光由于可作為中遠(yuǎn)紅外激光器的泵浦源,在光電對抗和激光雷達(dá)的發(fā)展和研制中有著重要應(yīng)用。摻雜Ho~(3+)的激光介質(zhì)輸出3μm波段激光的研究尚在起步階段,近年來,Ho~(3+)、Pr~(3+)雙摻雜,基質(zhì)為LiLuF_4的晶體通過Czochralski方法生長,同時(shí)成功輸出3μm波段激光。作為一種新的輸出3μm波段激光的手段,增益開關(guān)Ho,Pr:LLF激光器輸出特性研究很有意義。由此,本文的研究內(nèi)容可以概括為以下幾個(gè)部分。首先,以Ho,Pr:LLF晶體的物理特性和光譜特性出發(fā),研究Ho~(3+)離子的能級結(jié)構(gòu)和離子躍遷機(jī)制,建立Ho,Pr:LLF激光器三能級系統(tǒng)速率方程,并對線形腔Ho,Pr:LLF激光器不同輸出鏡透過率對輸出特性的影響進(jìn)行分析。其次,根據(jù)Ho,Pr:LLF晶體吸收特性,搭建KTP光學(xué)參量振蕩器作為Ho,Pr:LLF激光器泵浦源。以非線性晶體準(zhǔn)相位匹配條件為理論依據(jù),計(jì)算KTP晶體在532 nm激光泵浦條件下輸出1190 nm波段激光的晶體切割角,通過仿真設(shè)計(jì)KTP OPO的諧振腔型,并仿真計(jì)算KTP光學(xué)參量振蕩器的腔內(nèi)光斑分布。結(jié)合仿真,通過實(shí)驗(yàn)獲得最大輸出單脈沖能量為4.4 mJ、脈寬8.2 ns、中心波長為1191.9 nm的激光輸出。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測量和論證。最后,搭建Ho,Pr:LLF激光器,進(jìn)行Ho,Pr:LLF激光器諧振腔的設(shè)計(jì),通過仿真計(jì)算得到模式匹配下的諧振腔長。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),獲得最大輸出單脈沖能量為102μJ,激光脈寬為33 ns,中心波長為2958 nm,峰值功率最大為3.1 kW的激光輸出。光-光效率和泵浦斜率效率分別為1.5%和2.6%。在最佳輸出條件下,輸出激光脈沖寬度隨泵浦能量的變化從96 ns到33 ns。針對泵浦源的1.19μm激光和輸出的2.95μm激光的脈沖時(shí)序,從增益開關(guān)的特性出發(fā),深入分析Ho,Pr:LLF激光器的增益開關(guān)特性,給出實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果。本文是對于新型晶體Ho,Pr:LLF固體激光器的輸出特性研究,同時(shí)使用增益開關(guān)法獲得了目前此類研究中峰值功率最大的激光輸出,對3μm激光的應(yīng)用有一定價(jià)值。
【圖文】：

第 1 章 緒 論1.1 課題背景及研究的目的和意義3 μm 波段中紅外激光器在醫(yī)療、遙感、大氣環(huán)境監(jiān)測以及光電對抗方面著重要應(yīng)用。隨著醫(yī)療行業(yè)的不斷進(jìn)步和人們對健康要求的不斷升級，，如圖 所示，3 μm 波段激光由于它對水強(qiáng)烈的吸收作用[1]，在醫(yī)療行業(yè)，尤其是牙和外科手術(shù)中占有越來越多的作用。同時(shí)，對大氣中水汽變化的檢測也十分感，可作為環(huán)境監(jiān)測的良好工具。除此之外，3 μm 波段激光可作為中遠(yuǎn)紅外光器的泵浦源，所以在光電對抗和激光雷達(dá)的發(fā)展和研制中有著重要的應(yīng)用目前，實(shí)現(xiàn) 3 μm 波段激光輸出的技術(shù)主要有幾種方案：氙燈泵浦的 2.94 Er:YAG 激光器；二極管激光器泵浦 Er:YSGG 晶體獲得 2.8 μm 激光輸出；對Pr:GYSGG 晶體進(jìn)行抽運(yùn)，獲得 2.94 μm 連續(xù)激光輸出；使用 Er:Y2O3陶瓷為工作介質(zhì)，低溫條件下獲得 3 μm 波段連續(xù)激光輸出；光纖激光器作為泵浦端面泵浦 Ho,Pr:LLF4晶體，獲得 2.95 μm 連續(xù)激光輸出。產(chǎn)生 2.7~3.0 μm 中外激光的方式主要由摻雜 Er3+、Ho3+兩種稀土離子激光器來完成。

目前解決該問題的方法是通過向晶體內(nèi)摻雜 Pr3+離子，縮短 Ho3+離子5I6與下能級5I7的壽命差，讓晶體內(nèi)更容易發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使輸出 2.9 μ成為可能。近幾年，使用 1150 nm 激光作為泵浦源，泵浦 Ho,Pr:LLF 激出 2.95 μm 激光已有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表文獻(xiàn)證明。Ho,Pr:LLF 激光器成為段激光輸出的新方向。因此，本文通過 KTP 光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生峰值功率較高的 1190 nm 脈沖浦源，端面泵浦 Ho.Pr:LLF 晶體，輸出 2.95 μm 激光并探究其增益開關(guān)有意義。3 微米激光器研究現(xiàn)狀 摻 Er 激光器的研究現(xiàn)狀1999 年，美國的 Da-Wun Chen 及其所在小組人員使用 2 個(gè)波長為 0.96 μ導(dǎo)體激光器，進(jìn)行偏振耦合，通過對 Er:YAG 晶體進(jìn)行單端面的抽運(yùn)，到了波長為 2.9 μm 的激光輸出，而且該激光的輸出功率為 1.15 W，斜為 34%[2]。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN248

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本文編號：2691811