基于耦合腔选模原理的双折射双频Nd：YAG激光技术研究

论文摘要

双频激光器在光传感和光外差干涉测量等领域发挥着极其重要的作用,极大地促进了工业生产和科技进步。目前使用的双频激光器主要以He-Ne气体激光器为主,其中包括基于纵向塞曼效应的632.8nm双频He-Ne激光器、基于双折射效应的632.8nm双频He-Ne激光器和632.8nm双纵模He-Ne激光器,由于受Ne原子增益线宽的限制,这些双频He-Ne激光器的频差普遍比较小,其最大频差小于1.2GHz,极大地限制了双频激光器的应用范围。而在绝对距离干涉测量等应用中,需要采用频差达几GHz、几十GHz以上的大频差双频激光器作为光源,因此,研究大频差双频激光产生技术十分必要。本论文在分析耦合腔选模原理的基础上,采用激光纵模分裂技术,设计了激光二极管（LD）端面泵浦双频Nd:YAG激光器研究方案,并从实验上验证了研究方案的可行性。论文主要内容包括以下几方面：首先,简述了双频激光器的应用、研究现状和发展趋势,并简要介绍了LD泵浦固体激光器的工作原理、系统组成及关键技术,分析了LD泵浦固体激光器的基本特性。其次,介绍了几种常用选模方法,重点分析了耦合腔选模原理以及耦合腔激光器的谐振条件,即激光器腔长满足自洽方程,同时使得阈值取得最小值；用MATLAB对其选模特性进行了仿真,仿真结果表明,耦合腔可以实现激光纵模选择,并且选出的振荡模谱的纵模间隔与内腔模谱的纵模间隔相等。第三,设计了基于耦合腔选模原理的单频Nd:YAG激光系统,并对其选模特性和波长调谐特性进行了实验研究,研究结果表明,当腔长满足耦合腔激光器的谐振条件时,激光器可以实现单纵模振荡输出。最后,在分析激光纵模分裂原理及技术的基础上,设计了基于耦合腔选模原理的固定频差和频差可调谐双折射双频Nd:YAG激光器研究方案,并进行了可行性分析。建立了LD端面泵浦耦合腔选模1064nm双折射双频Nd:YAG激光实验系统,并开展了固定频差双频Nd:YAG激光振荡特性实验研究。研究结果表明：当Nd:YAG激光腔长为39mm并且腔内只包含厚度为3mm方解石晶片时,实验获得频差约为937MHz的1064nm正交线偏振双频激光输出。与双频He-Ne激光器相比,本论文提出的耦合腔选模双折射双频Nd:YAG激光器具有频差大、结构简单、体积小等优点,是一种具有广阔应用前景的全固态双频激光器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 双频激光器在干涉测量中的应用
• 1.2 双频激光技术的研究现状
• 1.3 双频激光技术的发展趋势
• 1.4 课题的目的及意义
• 1.5 课题要求及主要研究内容
• 2 LD泵浦固体激光器的工作原理和系统组成
• 2.1 LD泵浦固体激光器的组成
• 2.1.1 LD的工作特性及其驱动要求
• 2.1.2 聚焦光学系统
• 2.1.3 激光晶体
• 2.1.4 光学谐振腔
• 2.2 LD泵浦固体激光器工作特性分析
• 2.2.1 阈值泵浦功率
• 2.2.2 斜效率
• 2.2.3 输出功率
• 2.3 本章小结
• 3 耦合腔选模原理及MATLAB模拟
• 3.1 激光纵模的概念
• 3.2 激光纵模选择方法
• 3.2.1 短腔法
• 3.2.2 F-P标准具法
• 3.2.3 双折射滤光片法
• 3.2.4 耦合腔法
• 3.3 耦合腔的等效反射率和阈值条件
• 3.3.1 耦合腔的等效反射率
• 3.3.2 阈值条件
• 3.4 耦合腔选模原理的MATLAB模拟
• 3.4.1 耦合腔的光波传输特性
• 3.4.2 耦合腔选模原理的MATLAB模拟
• 3.5 本章小结
• 4 激光纵模分裂理论与技术及其应用
• 4.1 激光纵模分裂原理
• 4.2 基于双折射效应的激光纵模分裂技术
• 4.2.1 双折射现象
• 4.2.2 双折射晶体的光学性质
• 4.2.3 双折射效应分裂激光纵模的原理
• 4.2.4 石英波片
• 4.3 双折射效应纵模分裂技术的应用
• 4.3.1 自然双折射大频差双频激光器
• 4.3.2 应力双折射大频差双频激光器
• 4.3.3 LD泵浦双折射可调谐巨大频差Nd:YAG激光器
• 4.4 本章小结
• 5 耦合腔选模双折射双频Nd:YAG激光器设计及实验研究
• 5.1 LD泵浦耦合腔选模1064nm单频Nd:YAG激光技术实验研究
• 5.1.1 耦合腔选模1064nm单频Nd:YAG光系统设计方案
• 5.1.2 耦合腔选模1064nm单频Nd:YAG激光系统选模特性实验研究
• 5.1.3 耦合腔选模1064nm单频Nd:YAG激光波长调谐特性研究
• 5.2 λ/4波片分裂激光纵模实验研究
• 5.2.1 单λ/4波片纵模分裂实验研究
• 5.2.2 双λ/4波片纵模分裂实验研究
• 5.3 耦合腔选模双频Nd:YAG激光器方案设计及实验研究
• 5.3.1 固定频差双频Nd:YAG激光器设计
• 5.3.2 频差可调谐双频Nd:YAG激光器方案设计
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文