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二极管泵浦单掺Tm~（3+）固体激光器研究

作　者: 李玉峰
导　师: 王月珠
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 激光二极管泵浦 2μm Tm激光器吸收和发射光谱单掺Tm3+激光晶体声光调Q
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着红外激光光源在激光遥感、激光测距、光谱分析、大气环境监测、空间通讯以及军事方面应用的不断扩展,其重要性越来越明显。Tm激光器的输出波长为2μm附近,处于大气窗口,为遥感探测以及光电对抗提供了有利工具,是相干多普勒测风雷达、差分吸收雷达和激光测距机等系统的理想光源。此外,Tm固体激光器还是获得3⁵μm波段光学参量振荡激光输出的理想泵浦源。本论文从理论和实验两个方面对常温下四种单掺Tm³⁺固体激光器进行了较为深入细致的比较研究和探索。首先对Tm³⁺在GdVO₄和YAP基质中红外、可见和紫外波段的吸收光谱、发射光谱和荧光寿命进行实验测量,给出了详细的能级分布和高度。其次,根据这些基本数据,计算出晶体的吸收截面、发射截面和有效受激发射截面。最后,与Tm³⁺在LuAG和YAG基质中的光谱性质比较,定性的分析了晶体基质对Tm³⁺能级分布和跃迁的影响。这些数据是J-O理论计算和激光器实验研究的基础。理论方面,主要是对Tm³⁺在不同基质中的光谱参数进行计算分析并建立了Tm激光器连续和Q运转的速率方程模型。首先,通过J-O理论,计算了Tm³⁺在GdVO₄和YAP中的强度参数并获得了多项光谱参数（自发辐射跃迁几率、辐射寿命、荧光分支比和积分发射截面）。通过对光谱参数的对比,从理论上分析了Tm³⁺在哪些晶体基质中和Tm³⁺的哪些跃迁最有可能获得激光输出,并对上转换荧光所发生的能级和强弱对比进行合理解释。其次,在详细地分析了粒子跃迁和能量传递过程的基础上,考虑了能量传递上转换和基态损耗效应的影响,建立了端面连续泵浦Tm激光器的准三能级速率方程的理论模型。得到了描述输出功率与泵浦功率关系的方程,利用此方程讨论了晶体长度、粒子掺杂浓度、输出镜透过率等对激光器输出特性的影响。并讨论了不同上能级寿命情况下,Q脉冲输出单脉冲能量与调制频率之间的关系,为Tm激光器的设计提供了理论基础。最后,在Tm激光器不同运转模式下,理论分析了F-P标准具、复合腔和双折射滤光片对波长选择和线宽压缩作用。此外,利用ANSYS软件不仅计算了Tm:GdVO₄和Tm:YAP晶体内的温度梯度分布而且对注入锁定实验中出现的试验平台共振频率进行了理论分析。实验方面,主要对不同基质的Tm激光器在单频、调谐、调Q等运转模式下的实验结果进行比较分析并进行优化设计,为不同应用方向的Tm激光晶体的选择提供重要的参考依据。首先对于单频输出的Tm:GdVO₄、Tm:YAP、Tm:YAG和Tm:LuAG微片激光器进行了详细的实验研究。分别利用标准具法和复合腔法获得了连续单频输出Tm激光器,并利用腔内插入双折射滤光片和标准具的方法实现了宽带可调谐的单频Tm:YAP激光输出。其次,研究在高功率泵浦条件下Tm:GdVO₄、Tm:YAP、Tm:YAG和Tm:LuAG块状晶体激光的连续波输出,连续波宽带调谐输出,声光调Q等输出性质,从不同角度给出影响连续功率输出的各种因素,包括:晶体材料、晶体质量、耦合输出透射率、晶体长度、工作温度等。分析了不同晶体材料的热力学性质、测量了热透镜焦距。给出Q输出条件下,泵浦功率和调制频率等因素对脉冲宽度的影响。最后通过对常温2微米种子光注入锁频激光器的初步实验探索,为以后进行的系统设计和搭建提出了优化方案。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-27
  1.1 课题背景  11-13
    1.1.1 光电对抗  11-12
    1.1.2 激光雷达  12-13
    1.1.3 激光医疗  13
  1.2 2μm固体激光器的发展概况  13-20
    1.2.1 Tm,Ho双掺激光器  14-16
    1.2.2 单掺Tm激光器  16-18
    1.2.3 Tm泵浦Ho激光器  18-20
  1.3 Tm激光器研究现状  20-25
    1.3.1 Tm激光器主要发展方向  20-22
    1.3.2 Tm激光器研究重点  22-25
  1.4 本论文主要研究内容  25-27
第2章单掺Tm~(3+)晶体光谱特性研究  27-48
  2.1 Tm~(3+)能级结构  27-29
    2.1.1 晶体场理论  27-29
    2.1.2 晶体中Tm~(3+)的能级分裂  29
  2.2 Tm~(3+)在不同基质中的吸收光谱  29-33
    2.2.1 吸收系数和吸收截面  30-32
    2.2.2 影响吸收光谱的主要因素  32-33
  2.3 Tm~(3+)在不同基质中的荧光光谱  33-43
    2.3.1 荧光光谱测量原理  33-34
    2.3.2 2 微米波段荧光光谱  34-36
    2.3.3 上转换荧光光谱  36-42
    2.3.4 影响荧光光谱的主要因素  42-43
  2.4 Tm~(3+)在不同基质中的荧光寿命  43-46
    2.4.1 2 微米波段荧光寿命  43-45
    2.4.2 蓝光和近红外波段荧光寿命  45-46
  2.5 发射截面和增益截面  46-47
  2.6 本章小结  47-48
第3章光谱参数计算及分析  48-60
  3.1 J-O理论在光谱计算中的应用  48-53
  3.2 光谱参数计算与分析  53-59
  3.3 本章小结  59-60
第4章 Tm激光器速率方程模型  60-78
  4.1 Tm激光器低四位能级速率方程模型  60-67
    4.1.1 Tm系统低四位能级速率方程  60-64
    4.1.2 Tm系统中的上变频  64-67
  4.2 Tm激光器连续运转速率方程模型  67-74
    4.2.1 连续Tm激光器粒子数密度速率方程  67-69
    4.2.2 连续运转下激光腔内光子数变化方程  69-70
    4.2.3 连续运转的Tm激光器模型的解  70-74
  4.3 Tm激光器调Q运转速率方程模型  74-76
    4.3.1 激光器调Q运转速率方程  75
    4.3.2 声光调Q脉冲能量和峰值功率  75-76
  4.4 本章小结  76-78
第5章单纵模Tm激光器实验研究  78-96
  5.1 利用标准具和复合腔选单纵模  78-83
    5.1.1 标准具选单纵模理论分析  78-80
    5.1.2 复合腔选单纵模理论分析  80-83
  5.2 单纵模Tm微片激光器实验原理  83-84
  5.3 Tm:GdVO_4 和Tm:YAP单纵模激光器  84-88
    5.3.1 实验装置  84-85
    5.3.2 Tm:GdVO_4 和Tm:YAP自由振荡激光输出  85-86
    5.3.3 Tm:GdVO_4 和Tm:YAP激光器单纵模输出  86-88
  5.4 Tm:YAG和Tm:LuAG单纵模激光器  88-92
    5.4.1 实验装置  88
    5.4.2 Tm:YAG和Tm:LuAG自由振荡激光输出  88-90
    5.4.3 Tm:YAG和Tm:LuAG标准具法单纵模输出  90-91
    5.4.4 Tm:YAG和Tm:LuAG复合腔法单纵模输出  91-92
  5.5 宽带可调谐单纵模Tm激光器  92-94
  5.6 影响单纵模输出稳定性的因素和解决途径  94-95
  5.7 本章小结  95-96
第6章大功率Tm激光器实验研究  96-131
  6.1 连续输出Tm激光器  96-114
    6.1.1 实验装置  96-98
    6.1.2 Tm:GdVO_4 和Tm:YAP激光器实验结果及其分析  98-111
    6.1.3 Tm:YAG和Tm:LuAG激光器实验结果及分析  111-114
  6.2 连续可调谐输出Tm激光器  114-120
    6.2.1 双折射滤光片的选取  114-119
    6.2.2 实验结果及分析  119-120
  6.3 声光调QTm激光器  120-125
    6.3.1 实验装置  121
    6.3.2 实验结果  121-125
  6.4 种子光注入环形腔锁频激光器初步研究  125-130
    6.4.1 注入锁频理论分析  125-127
    6.4.2 初步实验和优化设计  127-130
  6.5 本章小结  130-131
结论  131-133
参考文献  133-143
攻读学位期间发表的学术论文  143-146
致谢  146-147
个人简历  147

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