掺钕钒酸盐0.91μm激光及其倍频蓝光激光特性研究

论文摘要

激光二极管抽运的全固态激光器（DPSSL）以其高效率、小型化、长寿命等优点,成为近20年来激光领域研究的热点。掺钕（Nd3+）固体激光介质一直以来都是其中的主要增益介质,对其研究非常广泛。目前,增益较大的1.06μm红外辐射和其倍频产生的0.53μm绿光激光器已经日益成熟,而作为准三能级跃迁产生的0.9μm激光和其倍频产生的蓝光激光器,由于实现起来难度较大,发展一直较为缓慢。鉴于此,本文致力于掺钕钒酸盐准三能级激光产生机理和相关技术的研究,期望能为0.91μm和其倍频0.46μm蓝光激光器的发展做出一定的贡献。首先对0.9μmDPSSL产生以来,不同几何结构、不同激光介质和不同工作方式的0.9μm及其倍频蓝光激光器的发展做了详细、系统的介绍和分析,明确了其中存在的主要问题。针对关系激光晶体（Nd:GdVO4和Nd:YVO4）散热性能的最重要参量—热导率λ（T）,目前国际上众说纷纭,实际测量了两者的热导率,并得到了其随温度变化的大致趋势。对于Nd3+掺杂浓度为0.5 at.%的两种晶体,在T=25℃时其a轴的热导率分别约为7.3 W/m·K和6.7 W/m·K,因此,得出在常温下Nd:GdVO4晶体热导率略大,但总体来说可视为相当的,而并不是先前大家认为的差距那么大。根据能级跃迁理论和准三能级激光产生机理,建立了考虑上转换（ETU）和激发态吸收（ESA）的0.91μm谱线跃迁的准三能级速率方程。通过数值计算的方法模拟并讨论了ETU和ESA对于抽运阈值、输出功率、反转粒子数空间分布,以及晶体中热效应的影响。发现ETU过程是912 nm激光产生过程中除固有的量子亏损外的另一重要热源。并通过理论模拟与实验结果相对比,估算出912 nm谱线跃迁的ESA等效吸收截面σESA1.0±0.5×10-20cm2。为了缓解准三能级激光器中饱受困扰的热效应,基于传热学和流体力学理论,设计并加工了高效的微通道水冷热沉器,有效地提高了0.91μm激光的输出功率和光束质量,获得了>10-W量级的高功率、高亮度、高效率输出。针对0.91μm激光器的光光转换效率和斜坡效率较低的现状,从理论上提出采用π偏振LD光抽运方案,有效地提高了激光晶体对抽运光的吸收率,从而明显地改善0.91μm激光器输出性能。通过实验验证,在π偏振光纤LD光抽运下,对比相同非偏振LD抽运功率下的结果,无论是效率还是输出功率都有明显的提高。从实验上初步研究了基于声光调Q的高重复频率、窄脉宽、高峰值功率的0.91μm激光输出特性。并采用对热效应不灵敏的Z型腔,通过声光调Q和腔内倍频,获得了0.46μm深蓝激光的高重复频率、短脉宽和较高峰值功率输出。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 3+准三能级DPSSL 及其倍频蓝光激光器的研究进展'>1.2 掺Nd³⁺准三能级DPSSL 及其倍频蓝光激光器的研究进展
• 1.2.1 采用棒状（Rod）晶体为增益介质的准三能级DPSSL
• 1.2.2 采用薄片（Thin Disk）为增益介质的准三能级DPSSL
• 1.2.3 采用光纤（Fiber）为增益介质的准三能级DPSSL
• 1.2.4 采用陶瓷（Ceramics）为增益介质的准三能级DPSSL
• 1.2.5 目前存在的主要问题
• 1.3 本论文的主要内容
• 第2章 激光介质基本参量的测试和分析
• 2.1 晶体吸收谱和荧光谱的测量与分析
• 2.1.1 吸收谱的测量与分析
• 2.1.2 荧光谱的测量与分析
• 2.2 热导率（Thermal Conductivity）的测算
• 2.2.1 比热（Specific Heat）的测量
• 2.2.2 热扩散系数（Thermal Diffusivity）的测量
• 2.2.3 热导率（Thermal Conductivity）的计算与讨论
• 2.3 本章小结
• 第3章 考虑上转换和激发态吸收的0.91μm 准三能级速率方程研究
• 3.1 考虑上转换和激发态吸收的912 nm 准三能级速率方程
• 3.1.1 速率方程的建立
• 3.1.2 反转粒子数密度及抽运阈值的求解
• 3.2 高斯光束抽运条件下的求解与分析
• 3.2.1 高斯光束抽运下相关参量的定义
• th的数值求解与分析'>3.2.2 归一化抽运功率阈值F_th的数值求解与分析
• 3.2.3 归一化腔内振荡光功率S 的数值求解与分析
• 3.2.4 ESA 对于抽运阈值的影响与分析
• 3.3 Tophat 光束抽运条件下的求解与分析
• 3.3.1 Tophat 分布函数
• 3.3.2 归一化抽运光阈值功率的数值求解及分析
• 3.3.3 归一化振荡光功率S 与抽运光功率F 变化关系的分析
• 3.4 ETU 对晶体中热负载的影响
• 3.4.1 上转换参量的定义
• 3.4.2 对反转粒子数密度的空间分布的影响
• 3.4.3 上转换参量的空间分布
• 3.4.4 对晶体中温度场的影响
• 3.5 模拟结果与实验结果的对比与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 0.91 μm 准三能级激光性能研究
• 4.1 光纤耦合LD 参量的测试
• 4.1.1 横模光强分布特性的测试
• 4.1.2 光谱分布特性的测试
• 2 因子的测试'>4.1.3 M²因子的测试
• 4.2 0.91 μm 准三能级激光器晶棒的选择和膜系的设计
• 4 晶棒的选择和谐振腔膜系的设计'>4.2.1 Nd:GdVO₄晶棒的选择和谐振腔膜系的设计
• 4.2.2 小结
• 4.3 0.91 μm 准三能级连续激光输出性能研究
• 4.3.1 普通热沉器下CZ 法晶体的0.91 μm 激光特性研究
• 4.3.2 微通道热沉器下的0.91 μm 激光特性研究
• 4.3.3 879 nm LD 抽运钒酸盐产生0.91 μm 激光特性研究
• 4.3.4 π偏振光抽运下0.91 μm 的激光特性研究
• 4.4 0.91 μm 脉冲激光器输出特性研究
• 4.4.1 声光调Q 的基本原理
• 4.4.2 声光调Q 的速率方程理论
• 4.4.3 0.91 μm 声光调Q 激光器输出性能
• 4.5 本章小结
• 第5章 腔内倍频0.46 μm 深蓝激光器研究
• 5.1 腔内倍频理论研究
• 5.2 谐振腔的设计
• 5.2.1 直线腔
• 5.2.2 V 型腔
• 5.2.3 Z 型腔
• 5.3 连续波0.46 μm 深蓝激光器实验研究
• 5.3.1 456 nm 激光器连续波输出性能研究
• 5.3.2 457 nm 激光器连续波输出性能研究
• 5.4 声光Q 开关0.46 μm 深蓝激光器实验研究
• 5.4.1 谐振腔设计
• 5.4.2 声光Q 开关456 nm 深蓝激光器实验研究
• 5.4.3 声光Q 开关457 nm 深蓝激光器实验研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历