单掺铥激光介质声光腔倒空技术研究

摘要

声光腔倒空是一种获得高重频窄脉宽激光输出的技术。单掺铥激光介质产生的2μm波段高重频窄脉宽激光在激光雷达、大气遥感等方面有一定应用价值。但是目前还没有单掺铥激光器方面的声光腔倒空研究，因此具有一定的研究价值。本文对单掺铥激光介质的声光腔倒空技术从理论和实验两个方面进行了研究。
　　从理论上分析了声光调制器的工作原理，分析了衍射效率的影响因素，分析了空间声场分布。基于Tm3+的能级跃迁和速率方程，对声光腔倒空光场建立阶段进行了理论分析，分析了腔内光子数和上能级粒子数的变化趋势。基于声光调制器衍射过程，分析了声光腔倒空纳秒级脉冲的产生过程，建立了声光腔倒空光场倒空阶段理论模型。从理论上研究了脉冲宽度与声光调制器衍射效率、声光调制器内光斑大小、声光调制器内光子分布、超声场上升时间、谐振腔腔长的关系。基于速率方程研究了声光腔倒空的稳定性，分析了重复频率、泵浦速率、单程损耗、谐振腔长度对声光腔倒空稳定性的影响。
　　首先进行了Tm:YAG晶体的声光腔倒空实验，晶体大小37?7?1.5mm，掺杂浓度3.5％，泵浦功率19.47W时，得到了重复频率200kHz、脉冲宽度54ns、波长2013.3nm、平均功率595mW的脉冲输出。然后进行了Tm:YAG陶瓷的声光腔倒空实验，晶体大小33?9?1.5mm，掺杂浓度4%，泵浦功率9.77W时，得到了重复频率200kHz、脉冲宽度31ns、波长2012.6nm、平均功率180mW的脉冲输出，但是脉冲波形出现畸变。最后进行了Tm:YAP晶体的声光腔倒空实验，晶体大小33?3?16mm，掺杂浓度3.5%，泵浦功率40.3W。当泵浦光斑大小为720μm时，脉冲波形始终存在畸变；当泵浦光斑大小为800μm时，低泵浦功率脉冲无畸变，高泵浦功率脉冲有畸变；当泵浦光斑大小为1200μm时，脉冲几乎无畸变。在1200μm泵浦光斑时，得到了重复频率200kHz、脉冲宽度50ns、激光波长1989.8nm、平均功率1.28W的脉冲输出。通过三组实验研究对比了不同重复频率条件下脉冲平均功率的变化，以及不同射频宽度条件下脉冲平均功率的变化，验证了声光腔倒空在重复频率较低时的不稳定现象。将声光腔倒空脉冲波形与主动声光调Q运转的脉冲波形作了对比，将理论计算结果和实验结果做了对比。分析了脉冲波形畸变的原因。

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第1章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2单掺Tm激光器发展状况

1.3声光腔倒空技术的研究情况

1.4本论文研究的主要内容

第2章 单掺铥激光介质特性和速率方程

2.1 YAG和YAP基质物理特性

2.2 Tm:YAG和Tm:YAP的吸收光谱与发射光谱

2.3 Tm3+的能级结构与速率方程

2.4本章小结

第3章 声光腔倒空理论分析

3.1声光腔倒空原理概述

3.2声光调制器工作原理

3.3声光腔倒空激光模型

3.4声光腔倒空稳定性分析

3.5本章小结

第4章 声光腔倒空实验研究

4.1 Tm:YAG晶体声光腔倒空实验研究

4.2 Tm:YAG陶瓷声光腔倒空实验研究

4.3 Tm:YAP晶体声光腔倒空实验研究

4.4实验结果的讨论和分析

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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致谢