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注入锁频2μm固体激光器研究

作　者: 王振国
导　师: 王月珠；鞠有伦
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: Tm,Ho激光器微片激光器单纵模输出种子注入频率锁定
分类号: TN248.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着气候环境的恶化,人们对大气风场数据的需求越来越迫切。相干多普勒测风激光雷达引起了世界多个国家的关注和重视。2μm固体激光器因其体积小、成本低、大气消光比低、人眼安全等优点,成为相干多普勒测风激光雷达的首选光源。采用注入锁频技术的固体激光器,其输出的激光脉冲可以满足相干多普勒测风激光雷达对激光光源的要求,既满足单纵模、窄线宽、高频率稳定度,又要有足够的单脉冲能量和足够的脉冲宽度。注入锁频激光器的基本组成包括主激光器(种子激光器)、从激光器(环形功率腔)和注入锁频伺服系统。本文从理论和实验两个方面对注入锁频2μm固体激光器进行了研究和探索。首先,测量了Tm3+,Ho3+在不同基质中的可见波段和红外波段吸收光谱、红外波段发射光谱以及荧光寿命,得到增益介质的吸收系数和发射截面,并对不同基质下Tm,Ho激光介质的光谱特性进行了比较分析。利用Tm,Ho:YLF的精细能级分裂数据,计算出激光器模型求解过程所需的必要参数。理论方面,根据Tm,Ho双掺杂晶体的粒子跃迁机制,建立了低温下连续输出Tm,Ho固体激光器的准四能级速率方程理论模型,得到激光跃迁初始反转粒子数密度与泵浦功率的关系。分析了掺杂粒子浓度对泵浦量子效率的影响。从Tm,Ho双掺杂调Q环形激光器的速率方程出发,得到激光上能级初始反转粒子数密度、输出脉冲宽度的解析表达式。分析了各种参数对输出脉冲宽度的影响,讨论了能量上转换和自发辐射等非线性效应对调Q动静比的影响,并指出采用脉冲泵浦方式是低重频下提高调Q动静比的有效手段。在注入锁频激光器理论方面,介绍了种子注入对注入锁频激光器腔内初始光场分布的影响,讨论了注入锁频激光器的最大频率失谐量与最小种子注入功率。分析了注入锁频的纵模匹配条件,并得到环形腔激光器频率失谐量的计算表达式。实验方面,设计并实现注入锁频2mm固体激光器。实验研究了不同基质下Tm,Ho微片激光器的输出特性。并得出结论,降低泵浦光和腔内振荡光的匹配度可获得更高的单纵模输出功率。对比微片厚度为0.9mm、0.5mm的Tm,Ho:YLF微片激光器和复合腔激光器的单纵模激光输出可知,减小激光器的有效腔长将获得更高的单纵模输出功率,但也会导致输出激光的光束质量和光斑的远场分布变差。利用ABCD环绕矩阵,优化设计了“8”字环形腔从激光器。并实验研究了连续运转和调Q运转下,谐振腔腔长、输出耦合镜透过率等参数对低温Tm,Ho固体激光器输出特性的影响。重点研究了不同谐振腔长、不同输出耦合镜透过率下,激光器输出脉冲宽度随输出单脉冲能量的变化;以及激光器输出单脉冲能量、脉冲宽度、峰值功率、调Q动静比随脉冲重复频率的变化。最后,进行了注入锁频激光器的实验研究。设计了种子光与环形腔的横模匹配耦合系统,提高种子光能量的利用率;设计了注入锁频的伺服系统,使激光器可以进行精确的纵模匹配,并给出了各元器件应满足的控制时序关系。最终实现了2mm固体激光器的注入锁频,获得频率锁定时激光器输出特性的变化,并测量了激光器的最大频率失谐量。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-36
  1.1 课题背景  14-21
    1.1.1 大气风场的主要测量手段  14-16
    1.1.2 多普勒测风激光雷达  16-17
    1.1.3 相干多普勒测风激光雷达  17-21
  1.2 注入锁频技术的发展状况  21-24
  1.3 2μm 固体激光器的发展状况  24-30
    1.3.1 Tm,Ho 双掺激光器  25-28
    1.3.2 Tm 泵浦Ho 激光器  28-30
    1.3.3 单掺Tm 激光器  30
  1.4 2μm 单纵模激光器的发展状况  30-35
    1.4.1 微片短腔法  31
    1.4.2 耦合腔法  31-32
    1.4.3 标准具法  32
    1.4.4 双折射滤波器法  32-33
    1.4.5 单向环形腔  33-35
  1.5 本论文主要研究内容  35-36
第2章 Tm,Ho 激光器速率方程理论及光谱分析  36-64
  2.1 Tm,Ho 激光器的能级跃迁  36-41
    2.1.1 Tm,Ho 系统的跃迁机制  37-39
    2.1.2 Tm,Ho 系统的耦合上能级寿命  39-41
  2.2 Tm,Ho 系统连续运转准四能级速率方程模型  41-43
  2.3 Tm,Ho 系统调Q 运转速率方程模型  43-50
    2.3.1 调Q 运转速率方程理论分析  43-47
    2.3.2 调Q 激光器输出脉冲宽度分析  47-48
    2.3.3 调Q 激光器输出动静比的分析  48-50
  2.4 Tm,Ho 激光介质的物理特性  50-52
  2.5 Tm,Ho 激光介质的光谱特性  52-63
    2.5.1 Tm,Ho 在不同基质中的吸收光谱  53-55
    2.5.2 吸收系数和吸收截面  55-56
    2.5.3 Tm,Ho 在不同基质中的2mm 波段荧光光谱  56-58
    2.5.4 发射截面和增益截面  58-60
    2.5.5 Tm,Ho 激光介质的荧光寿命  60-63
  2.6 本章小结  63-64
第3章主激光器的理论分析及实验研究  64-84
  3.1 小信号增益系数与损耗的分析  64-67
  3.2 激光输出线宽与短期不稳定度的分析  67-69
  3.3 主激光器的实验装置  69-72
  3.4 实验结果及分析  72-83
    3.4.1 不同基质Tm,Ho 微片激光器的输出特性  72-78
    3.4.2 微片激光器单纵模输出功率的提高  78-82
    3.4.3 激光器频率不稳定度的测量  82-83
  3.5 本章小结  83-84
第4章从激光器的分析设计和实验研究  84-106
  4.1 从激光器的分析与设计  84-93
    4.1.1 光学稳定性分析  85-89
    4.1.2 热稳定性分析  89-92
    4.1.3 输出脉冲宽度转换限  92-93
  4.2 从激光器的实验装置  93-95
  4.3 Tm,Ho:YLF 激光器的连续运转输出  95-98
    4.3.1 输出耦合镜透过率对输出激光特性的影响  95
    4.3.2 谐振腔长对输出激光特性的影响  95-97
    4.3.3 Q 开关的插入损耗对输出激光特性的影响  97-98
  4.4 Tm,Ho:YLF 激光器的脉冲运转输出  98-104
    4.4.1 泵浦功率对输出激光能量的影响  98-99
    4.4.2 激光器输出特性随脉冲重复频率的变化  99-101
    4.4.3 激光器输出脉冲宽度的影响因素  101-103
    4.4.4 不同基质Tm,Ho 激光器输出脉冲宽度的比较  103-104
  4.5 本章小结  104-106
第5章注入锁频激光器的理论分析  106-123
  5.1 注入光场分析  106-110
  5.2 注入锁频激光器的频率失谐量  110-113
  5.3 最小种子注入功率  113-115
  5.4 种子注入的模式匹配分析  115-121
    5.4.1 横模匹配分析  116-120
    5.4.2 纵模匹配分析  120-121
  5.5 本章小结  121-123
第6章注入锁频激光器的实验研究  123-136
  6.1 注入锁频激光器的实验装置  123-126
    6.1.1 激光器的级间去耦  124-125
    6.1.2 注入锁频的模式匹配设计  125-126
  6.2 Tm,Ho:YLF 注入锁频激光器的实验结果及分析  126-132
    6.2.1 激光脉冲建立时间的跃变  127-128
    6.2.2 输出激光脉冲模式的变化  128-129
    6.2.3 输出脉冲能量稳定性的改善  129-131
    6.2.4 环形腔单向输出的实现  131-132
    6.2.5 注入锁频激光器频率失谐量的测量  132
  6.3 Tm,Ho:GdVO_4 注入锁频激光器的波长抑制  132-133
  6.4 实验方案的改进  133-135
  6.5 本章小结  135-136
结论  136-138
参考文献  138-150
攻读学位期间发表的学术论文及其他成果  150-153
致谢  153-154
个人简历  154

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