双波长Nd:YAG微片激光器的研究

论文摘要

双波长固体激光器不仅结构紧凑、可实现小型化、且能够实现高功率激光输出,被广泛应用于激光雷达、产生太赫兹波、激光医疗等领域,成为激光研究领域的研究热点。双波长激光的实现有多种方式,本论文的研究主要是利用Nd:YAG激光晶体中激活离子的能级分裂特性来实现双波长激光输出。目前用于固体激光器最为成熟的激光材料是Nd:YAG晶体,具有荧光寿命长、窄的线宽和可以在室温下连续工作等优势。本论文中采用光纤耦合端面直接泵浦的方式,在室温下产生了 1061和1064 nm双波长激光同时运转,双波长之间的频差为0.7 THz,适合作为通过差频方式产生THz波的光源,能得到更高的增益及更宽的调谐范围,极大扩充了Nd:YAG双波长激光器的应用领域。本文首先从四能级系统激光在基模输出时的速率方程出发,对1061和1064 nm双波长激光器阈值泵浦功率与输出镜透过率、增益介质长度之间的关系分别进行了理论模拟研究。当Toc<16%时,1064 nm激光的阈值泵浦功率大于1061 nm激光的阂值泵浦功率,有可能实现1064和1061 nm的双波长运转。当增益介质长度在0.25-2.5 mm的范围内,波长为1061 nm激光的阈值泵浦功率低于1064 nm激光的阈值泵浦功率,且大约在0.5-1.25 mm时两个波长的阈值泵浦功率差较大,更易于实现双波长激光输出。采用885 nm光纤耦合LD泵浦Nd:YAG晶体微片激光器实现了1061和1064 nm双波长激光输出。在不同的泵浦功率下,双波长激光输出光谱强度保持相当。系统研究了输出镜透过率与增益介质长度对激光输出性能的影响。当输出耦合镜透过率Toc =2%时,在整个入射泵浦功率范围内,均有双波长激光的输出;当Toc=10%时只有部分功率下实现了双波长激光的输出;当Toc=20%则是始终为单波长激光运转。通过对不同增益介质长度的Nd:YAG微片激光器输出双波长激光性能的研究发现,采用1 mm厚的Nd:YAG微片激光器可以获得较为理想的双波长激光输出,光光转换效率可以达到9%,但是1061 nm波长的激光强度较低,双波长激光输出性能不佳。随后采用了两种不同的方法对Nd:YAG双波长微片激光器的性能进行优化。一是通过倾斜输出耦合镜的方式改变增益介质与输出耦合镜之间的夹角。研究发现,通过增大输出耦合镜与Nd:YAG晶体之间的夹角可以明显改善双波长激光的性能。在倾斜角度为0.15 mrad时,1061 nm波长的输出强度明显提高,双波长激光输出性能得到最大优化,可以实现双波长强度为1:1的激光的输出,且整体光光转换效率也提高到10%。二是通过改变腔长的方式。通过改变输出耦合镜镀膜面的正反放置方向形成两组单腔结构以及使用两个输出耦合镜形成四组不同组合的双波长双腔结构进行了激光输出性能优化的研究。双波长激光输出性能得到明显优化,整体光光转化效率在单腔结构下腔长为3.6 mm时达15%。双腔结构中,在Z= 1.6+2 mm时实现了 1061.8、1064.5和1074.3 nm三波长的1:1:1同时运转。双腔结构中只有在第一个增益与损耗并存的较短腔下,可以有效优化双波长激光输出性能。通过两种不同的方式优化了谐振腔,平衡了两个不同波长之间的净增益,获得了比较理想的双波长激光的输出,为其它双波长或多波长激光器输出性能的提升提供了借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 双波长激光器概述及应用
•     1.1.1 激光医疗
•     1.1.2 差分吸收雷达
•     1.1.3 太赫兹波产生源
•   1.2 Nd:YAG双波长激光器研究概述
•     1.2.1 Nd:YAG晶体简介
•     1.2.2 Nd:YAG晶体的能级结构
• 3+离子掺杂激光材料的1.06 μm处双波长激光器研究进展'>  1.3 基于Nd³⁺离子掺杂激光材料的1.06 μm处双波长激光器研究进展
•   1.4 本论文研究思路及内容
• 第二章 双波长Nd:YAG微片激光器的理论基础研究
•   2.1 双波长激光器的速率方程
•   2.2 双波长激光器阈值公式的分析
•     2.2.1 阈值公式介绍
•     2.2.2 阈值功率及输出镜透过率之间关系的理论模拟
•     2.2.3 阈值功率及增益介质长度之间关系的理论模拟
•   2.3 增益饱和及空间烧孔效应
•   2.4 本章小结
• 第三章 双波长Nd:YAG微片激光器实验研究
•   3.1 实验装置
•   3.2 实验结果与讨论
•     3.2.1 泵浦阈值功率及输出镜透过率之间的实验分析
•     3.2.2 泵浦阈值功率及增益介质长度之间的实验分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 双波长Nd:YAG微片激光器的性能优化
•   4.1 改变增益介质与输出镜之间的夹角
•     4.1.1 实验装置
•     4.1.2 实验结果与讨论
•   4.2 改变腔长
•     4.2.1 实验装置
•     4.2.2 实验结果与讨论
•   4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑志芬

导师: 董俊

关键词: 微片激光器,双波长激光,阈值功率,增益竞争

来源: 厦门大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 厦门大学

分类号: TN248.1

总页数: 78

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