基于分布反馈的复合固态染料激光介质的研究

论文摘要

发展分布式反馈的固态染料激光介质是固态染料激光介质在集成化、实用化道路上的必然方向之一。本文应用紫外-可见吸收光谱（UV-VIS）、稳态荧光光谱、原子力显微镜、棱镜耦合仪和激光性能测试等实验手段，研制了染料掺杂固态波导薄膜激光介质，选择确定了适于制作薄膜波导固态染料激光介质的优化制备工艺；系统研究了不同有机改性先驱体（ORMOSILs）和Zr浓度配比对激光介质光稳定性和光波导性能的影响；设计搭建动态分布反馈（DFB）激光输出装置，实现了基于动态DFB的窄线宽、连续可调谐激光输出；利用染料之间的能量传递原理，研究了共掺染料掺杂Zr-ORMOSILs波导薄膜介质的激光性能，取得了一系列重要结论。研究发现，旋涂速度、陈化时间、以及有机改性剂的种类、Zr浓度都会影响波导薄膜介质的折射率及厚度。厚度不同，所得到的激光输出模式数量也会改变。为了得到单模激光输出，波导薄膜的厚度应控制在1μm以下。有机改性基团的适当引入可提高染料的光稳定性，当Zr浓度为25％或50％时，激光染料具有较高的光稳定性。随着Zr浓度的提高，波导薄膜介质的折射率增加。综合考虑光稳定性和折射率因素，选择50％的Zr浓度配比制备染料掺杂Zr-ORMOSILs波导薄膜。在50％Zr浓度配比下，有机染料PM567和P-red在以乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）为先驱体的材料中，光稳定性较好。P-orange在以三甲氧基硅烷甲基丙烯酸丙醇酯（TMSPM）为先驱体的材料中，光稳定性较好。以Nd：YAG激光器作为光源，实现了激光染料掺杂Zr-ORMOSILs薄膜的动态DFB的窄线宽、连续可调谐激光输出。染料单掺Zr-ORMOSILs波导薄膜的可调谐范围在20nm左右。为了拓宽激光介质的可调谐范围，研究了共掺染料对染料激光介质激光性能的影响。我们在以VTES为有机改性剂的凝胶玻璃块材中，将不同的香豆素染料和PM567与P-red共掺，研究确定了具有最佳激光性能的浓度配比，分别是C460：PM567：P-red=2.5：2：1，C440：PM567：P-red=2.5：2：1，C540A：PM567：P-red=2.5：2：1，C503：PM567：P-red=5：2：1，其中含C540A的三掺样品具有最大的可调谐范围为562.3nm～642.4nm，调谐宽度80nm，最大激光转换效率为2.4％，斜坡效率为21％，是迄今报道的固态染料激光介质中可调谐范围最大的激光介质，比单掺P-red样品的激光效率提高1倍。并且其光稳定性也比单掺样品有所提高。实现了以C540A：PM567：P-red=2.5：2：1浓度比的三染料共掺Zr-ORMOSILs波导薄膜的动态DFB激光输出，其调谐范围超过69nm，是染料单掺Zr-ORMOSILs波导薄膜的DFB激光可调谐范围的3倍多。这是迄今报道的最宽的调谐范围。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 基于分布反馈的复合固态染料激光介质的研究进展
• 1.1 引言
• 1.2 染料激光介质固态化的优势及其研究现状
• 1.2.1 新型有机激光染料的合成与选择
• 1.2.2 复合固态染料激光介质的光损伤及起因
• 1.2.3 染料共掺对激光性能的影响
• 1.3 复合平面波导型薄膜染料激光介质
• 1.3.1 平面光波导基础理论
• 1.3.2 有机染料对波导型复合薄膜激光介质性能的影响
• 1.3.3 基质组成对波导型复合薄膜激光介质性能的影响
• 1.4 基于分布反馈的复合固态染料激光介质
• 1.4.1 固态染料激光介质的可调谐激光输出
• 1.4.2 分布反馈激光器的理论基础
• 1.4.3 基于DFB的固态染料激光介质的研究进展
• 第二章 问题的提出
• 2.1 研究背景
• 2.2 问题的提出
• 2.3 本文的工作与意义
• 第三章 实验方法
• 3.1 研究方法确定依据
• 3.2 复合固态染料激光介质的制备
• 3.2.1 波导薄膜样品的制备
• 3.2.2 复合凝胶玻璃的制备
• 3.3 分析测试
• 3.3.1 原子力显微镜
• 3.3.2 棱镜耦合仪
• 3.3.3 光谱测试
• 3.3.4 激光性能测试
• 第四章 激光介质中有机染料的激光性能及其光稳定性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 薄膜的波导性能研究
• 4.3.1 薄膜表面质量和光损耗的测试
• 4.3.2 薄膜折射率和厚度测试
• 4.3.3 波导薄膜厚度对传播模式数的影响
• 4.4 波导薄膜介质中有机染料的光稳定性研究
• 4.4.1 Zr含量对光稳定性的影响
• 4.4.2 有机改性先驱体对光稳定性的影响
• 4.5 小结
• 第五章 复合固态染料激光器的DFB激光输出性能
• 5.1 引言
• 5.2 染料单掺 Zr-ORMOSILs激光介质的 DFB输出性能
• 5.3 染料共掺改善激光性能
• 5.3.1 染料共掺 ORMOSILs凝胶玻璃的激光性能
• 5.3.2 染料共掺 Zr-ORMOSILs波导薄膜介质的DFB输出性能
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢