LD泵浦調(diào)Q鎖模激光理論及實驗的研究.pdf

1、激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器因具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、熱效應小、穩(wěn)定性高、壽命長、光束質(zhì)量好、工作介質(zhì)覆蓋的波段范圍廣及運轉(zhuǎn)方式多樣化等優(yōu)點，在材料加工、軍事、醫(yī)療、空間通訊、光顯示、光互聯(lián)、光信息處理和科研等領(lǐng)域得到廣泛的應用，成為目前激光領(lǐng)域的研究熱點。 激光晶體增益介質(zhì)是激光器的核心部件，它的光譜和物理特性決定了激光器系統(tǒng)的整體設(shè)計和輸出特性。其中摻釹離子的激光晶體由于吸收波長在808nm附近，適合于半導體激光器抽運，作為增

2、益介質(zhì)得到了廣泛研究。本論文采用光纖耦合輸出的激光二極管作泵浦源，用Nd：YVO4、Nd：GdVO4和Nd：LuVO4晶體作為激光工作物質(zhì)，利用Cr：YAG、LT-GaAs、SESAMs和V：YAG的飽和吸收特性，分別實現(xiàn)了1．06μm和1．34μm波段的調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)；用Nd：GdVO4晶體作為激光工作物質(zhì)和克爾介質(zhì)，實現(xiàn)了Nd：GdVO4自鎖模激光運轉(zhuǎn)；利用KTP的二階級聯(lián)非線性（cascaded second-order non

3、linearity）和倍頻特性實現(xiàn)了綠光自調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)；用聲光Q開關(guān)（AO）作為穩(wěn)定元件，分別實現(xiàn)了Nd：GdVO41．06μm和Nd：GdVO4/KTP0．53μm主動調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)；利用AO-Cr：YAG組合研究了主被動雙調(diào)O鎖模激光的脈沖輸出特性；同時，運用高斯近似下的速率方程組對以上調(diào)Q鎖模激光的運轉(zhuǎn)特性進行了理論模擬。論文的主要研究工作包括： Ⅰ分析了Cr：YAG可飽和吸收體的調(diào)Q鎖模原理，利用光強起伏機制及調(diào)Q

4、速率方程模型，給出了高斯分布近似下描述Cr：YAG調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)特性的速率方程組；在折疊腔內(nèi)實現(xiàn)了LD泵浦c-cut Nd：GdVO41．06μm及KTP腔內(nèi)倍頻0．53μm激光運轉(zhuǎn)，并利用調(diào)Q鎖模速率方程組模擬了該激光器的動力學過程。（§2．2） Ⅱ采用LD泵浦Nd：GdVO4晶體，以V：YAG晶體為可飽和吸收體，實現(xiàn)了三鏡折疊腔1．34μm調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)，研究了1．3μm調(diào)Q鎖模激光的輸出特性；利用可飽和吸收體調(diào)Q鎖模模型，

5、在高斯分布近似下給出了描述V：YAG調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)特性的速率方程組，數(shù)值模擬與實驗結(jié)果相符。（§2．3） Ⅲ采用三鏡折疊腔結(jié)構(gòu)，以LT-GaAs為可飽和吸收體，實現(xiàn)了LD泵浦Nd：LuVO41．06μm及Nd：GdVO4/KTP腔內(nèi)倍頻0．53μm被動調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)；考慮GaAs雙光子吸收，給出了高斯分布下描述LT-GaAs被動調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)的速率方程組，并利用該模型對實驗結(jié)果進行了理論模擬。（§3．2） Ⅳ以中間鏡式SE

6、SAMs為可飽和吸收體，實現(xiàn)了LD泵浦被動調(diào)Q鎖模Nd：GdVO4/KTP腔內(nèi)倍頻0．53μm激光運轉(zhuǎn)；考慮SESAMs可飽和吸收體的飽和損耗，給出了高斯分布下描述SESAMs被動調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)的速率方程組，數(shù)值求解所得結(jié)果與實驗結(jié)果相符。（§3．3） Ⅴ實現(xiàn)了自調(diào)Q自鎖模Nd：GdVO4激光運轉(zhuǎn)，在折疊腔內(nèi)沒有任何額外元件的情況下，得到了較穩(wěn)定的激光脈沖輸出；把c-cut Nd：GdVO4激光晶體和軟光闌等效為快飽和吸收體，考慮

7、克爾介質(zhì)的非線性傳輸矩陣，根據(jù)光束在光腔內(nèi)往返傳播的ABCD法則和光強起伏機制，給出了克爾透鏡鎖模激光脈沖輸出性能的速率方程模型，得到了與實驗結(jié)果近似的理論計算值。（§4．2） Ⅵ考慮KTP的二階級聯(lián)非線性特性的影響，并考慮激光晶體的克爾效應，建立了描述LD泵浦Nd：GdVO4腔內(nèi)倍頻綠光自調(diào)Q自鎖模運轉(zhuǎn)特性的速率方程新模型；實驗上分別實現(xiàn)了LD泵浦a-cut和c-cut Nd：GdVO4/KTP自調(diào)Q自鎖模0．53μm激光運轉(zhuǎn)

8、，數(shù)值求解Nd：GdVO4/KTP自調(diào)Q自鎖模速率方程組所得的理論值與實驗結(jié)果基本相符。（§4．3） Ⅶ利用聲光調(diào)Q開關(guān)，考慮Nd：GdVO4晶體的克爾效應和聲光開關(guān)的關(guān)斷時間對脈沖特性的影響，在高斯分布近似下建立了描述克爾鎖模激光運轉(zhuǎn)特性的速率方程模型；實驗上利用折疊腔實現(xiàn)了Nd：GdVO4/AO1．06μm和Nd：GdVO4/AO KTP腔內(nèi)倍頻0．53μm自調(diào)Q鎖模激光的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，測量了不同聲光調(diào)制頻率下，激光平均輸出功率

9、、脈沖能量等隨泵浦功率的變化關(guān)系，數(shù)值求解Nd：GdVO4基頻和KTP倍頻自調(diào)Q自鎖模速率方程組所得的理論值與實驗結(jié)果近似。（§5．1、§5．2） Ⅷ實現(xiàn)了LD泵浦Nd：GdVO4晶體AO-Cr：YAG主被動調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)，通過在激光腔內(nèi)插入一個聲光調(diào)制器，Nd：GdVO4被動調(diào)Q鎖模激光器的穩(wěn)定性得到了很好的加強，測量并比較了聲光調(diào)制器打開前后兩種狀態(tài)下的激光特性；考慮聲光關(guān)斷時間及調(diào)制頻率的影響，給出了描述主被動雙調(diào)Q鎖模

10、激光運轉(zhuǎn)特性的速率方程模型，數(shù)值求解方程的理論計算值與實驗結(jié)果相符。（§5．3） 論文的主要創(chuàng)新工作包括： Ⅰ首次給出了高斯分布近似下Cr：YAG調(diào)Q鎖模速率方程理論，并首次實現(xiàn)了LD泵浦c-cut Nd：GdVO4晶體Cr：YAG調(diào)Q鎖模1．06μm和KTP內(nèi)腔倍頻0．53μm激光運轉(zhuǎn)，理論模擬與實驗結(jié)果相符。 Ⅱ利用KTP作為倍頻晶體，首次對LD泵浦c-cut Nd：GdVO4晶體、LT-GaAs被動調(diào)Q鎖模

11、綠激光運轉(zhuǎn)特性進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究；利用高斯分布近似下的速率方程模型，給出了LT-GaAs調(diào)Q綠光鎖模速率方程理論模型，理論模擬結(jié)果重現(xiàn)了調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)的輸出特性。 Ⅲ首次實現(xiàn)了Nd：GdVO4自鎖模激光的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)：利用聲光調(diào)Q開關(guān)，得到了穩(wěn)定的鎖模脈沖，考慮Nd：GdVO4晶體的克爾效應和聲光開關(guān)的關(guān)斷時間對脈沖特性的影響，在高斯分布近似下建立了描述克爾鎖模激光運轉(zhuǎn)特性的速率方程模型，數(shù)值求解方程的理論計算值與實驗結(jié)果相近

12、。 Ⅳ首次考慮KTP的二階級聯(lián)非線性特性的影響，和激光晶體的克爾效應，建立了描述LD泵浦Nd：GdVO4腔內(nèi)倍頻綠激光自調(diào)Q自鎖模運轉(zhuǎn)特性的速率方程新模型，理論分析與實驗結(jié)果基本相符。 Ⅴ首次實現(xiàn)了LD泵浦Nd：GdVO4晶體AO-Cr：YAG主被動調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)，考慮腔內(nèi)光子數(shù)密度、激活介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和泵浦光的橫向與縱向分布和聲光關(guān)斷時間及調(diào)制頻率的影響，給出了描述雙調(diào)Q鎖模激光運轉(zhuǎn)特性的速率方程模型，得到了與實