高转换效率的Cr4+:Y3Al5O12被动调Q Yb:Y3Al5O12微片激光器性能研究

摘要

激光二极管(laser diode，LD)泵浦的被动调Q固体激光器输出的脉冲激光峰值功率高、脉冲序列短、重复频率高、光束质量高，而且体积小、寿命长、稳定性好，在激光点火、材料加工、激光医学等方面具有巨大的发展前景。本文首先介绍了高转换效率的LD泵浦的被动调Q固体激光器的研究背景和发展前景，接着概述了LD泵浦的被动调Q固体激光器的工作原理及组成部分，依次介绍了激光二极管、Cr4+∶Y3Al5O12(Cr4+∶YAG)晶体和Yb3+∶Y3Al5O12(Yb3+∶YAG)晶体。接着，总结和回顾了掺Yb3+离子材料作为激光增益物质的被动调Q激光器和Yb∶Y3Al5O12强化Cr, Yb∶Y3Al5O12自调Q激光器的的研究历史。
　　随着泵浦功率的增加，Yb∶YAG晶体会出现比较明显的热效应，由于它是典型的准三能级结构，温度的升高会使Yb∶YAG晶体下能级的粒子数目急剧增加，从而限制激光器的光-光转换效率的提升。
　　增大泵浦功率密度或降低增益介质的温度可有效提升激光器的光-光转换效率。W.Z.Zhuang用钻石表面冷却的方法获得了25％的光-光转换效率，这是无钻石冷却条件下的转换效率的3倍。采用钻石或蓝宝石等热传导性能好的材料进行散热或采用低温冷却系统对激光器进行控温使激光器的结构变得更加复杂，这与被动调Q固体激光器集成化、小型化的趋势及前景不符。
　　在Yb∶YAG晶体中共掺Cr4+离子后，Cr, Yb∶YAG晶体的荧光寿命随Cr4+离子的掺杂浓度的增大而减小。并且，由于Cr4+∶YAG晶体在800nm～1300nm具有较宽的吸收光谱，Cr, Yb∶YAG晶体中的Cr4+离子在Yb3+离子的吸收带（940 nm附近）对激光有很强的吸收，因此，Cr, Yb∶YAG不能有效地吸收和利用泵浦光。同时，在共掺Cr4+离子后，Cr, Yb∶YAG晶体缺陷增多，激光谐振腔的损耗变大，激光器的阈值较高，转换效率较低。如果进一步增加Cr4+离子的浓度，激光器的输出效率更低，甚至不能产生激光。采用Yb∶YAG强化Cr, Yb∶YAG的方法，Yb∶YAG吸收大部分的泵浦光，Cr, Yb∶YAG晶体吸收残余的泵浦光，同时发挥被动调Q作用，可增大增益介质对泵浦光的吸收效率，提高反转粒子数。
　　本文在室温下实现了极高转换效率的940 nm高亮度单管LD泵浦的Cr4+∶Y3Al5O12被动调Q Yb∶Y3Al5O12微片激光器及高转换效率的940 nm准连续(Quasi-continuous-wave，QCW) LD泵浦的Yb∶Y3Al5O12强化Cr4+，Yb3+∶Y3Al5O12自调Q微片激光器。
　　采用中心波长为940 nm的高亮度单管激光二极管作为泵浦源，采用厚度为1.2 mm、Yb3+掺杂浓度为10 at.％的Yb∶YAG晶体作为增益介质和厚度为1.5mm、初始透过率为95％的Cr4+∶YAG晶体作为被动调Q开关，研究了Cr4+∶Y3Al5O12被动调Q Yb∶Y3Al5O12微片激光器的性能。在输出耦合镜(OC)透过率Toc为40％的条件下，当吸收泵浦功率为3.5W时，获得了最大平均输出功率是1.53 W，斜率效率是51％，光-光转换效率高达44％的激光输出。通过实验详细地研究和分析了输出耦合镜透过率和泵浦功率大小对激光器性能的影响，证明了使用高泵浦强度的激光二极管作为泵浦源为室温下获得高峰值功率、高转换效率的被动调Q固体激光器提供了一种全新并且行之有效的思路。
　　首次采用波长为940 nm的准连续激光二极管作为泵浦源，采用厚度为1.2mm、Yb3+掺杂浓度为10 at.％的Yb∶YAG作为增益介质，采用厚度为0.5 mm、Yb3+掺杂浓度为10 at.％、Cr4+∶YAG初始透过率为94％的Cr, Yb∶YAG晶体作为增益介质和被动调Q开关，研究了Yb∶Y3Al5O12强化Cr4+，Yb3+∶Y3Al5O12自调Q微片激光器的激光特性。当输入泵浦能量为48.2 mJ时，输出激光的能量是11.7 mJ，光-光转换效率是24.3％。通过实验系统地研究和分析了泵浦脉冲宽度、泵浦功率和泵浦重复频率对激光性能的作用和影响，研究结果说明采用准连续激光二极管作为泵浦源，可有效降低热效应对Yb∶Y3Al5O12强化Cr4+，Yb3+∶Y3Al5O12自调Q微片固体激光器性能的影响，这有助于研发高峰值功率、高转换效率的被动调QYb∶Y3Al5O12微片固体激光器。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及应用前景

1．1．1 内燃机引擎激光点火

1．1．2 激光加工

1．1．3 激光医学

1．2 激光二极管泵浦的被动调Q固体激光器概述

1．2．1 泵浦源——激光二极管

1．2．2 被动调Q开关——Cr4+：Y3Al5O12晶体

1．2．3 激光增益介质——Yb3+：Y3Al5O12晶体

1．3 掺Yb3+离子材料被动调Q激光器的研究进展

1．3．1 掺Yb3+离子材料作为工作物质的被动调Q激光器的研究进展

1．3．2 双掺Cr，Yb：Y3Al5O12自调Q激光器的研究进展

1．4 本论文的研究思路及内容

第二章 高转换效率的Cr4+：Y3Al5O12被动调Q Yb3+：Y3Al5O12微片激光器实验装置及设备

第三章 高转换效率的Cr4+：Y3Al5O12被动调Q Yb3+：Y3Al5O12微片激光器实验结果分析

3．1 940 nm高亮度单管激光二极管泵浦的Cr4+：Y3Al5O12被动调Q Yb3+：Y3Al5O12微片激光器实验结果分析

3．2 940 nm准连续激光二极管泵浦的Yb3+：Y3Al5O12强化Cr4+，Yb3+：Y3Al5O12自调Q微片激光器实验结果分析

3．3 本章小结

第四章 结论与展望

3．1 主要结论

3．2 实验中不足和有待改进的地方

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和专利

致谢