Er:YAG固体激光器注入锁定技术稳定性研究

摘要

实时掌握大气风场及成分数据是预测全球气候变化的重要途径，因此相干多普勒测风雷达以其探测精度高、灵敏度高等优势成为近年来人们研究的热点。工作波长在1.6μm附近的激光具有人眼安全阈值高、对气溶胶粒子反射系数大以及光电传感器响应灵敏度大等优势，成为激光雷达的首选发射光源。1.6μm注入锁定激光器能满足激光雷达对其发射光源线宽窄、光束质量高、频率稳定及单频脉冲输出的要求。因此，本文分别从理论和实验两方面对稳定工作的1.6μm注入锁定激光器进行了研究。
　　理论方面，首先根据Er3+产生1.6μm激光的跃迁机制建立了常温下连续运转和调Q运转激光器的准四能级速率方程理论模型，推导出激光器阈值与斜率效率的表达式，根据该表达式分析了输出镜透过率以及上转换因子对激光输出特性影响。其次，分析了Er:YAG注入锁定激光器的稳定性，重点对从激光器的稳定性进行了分析。以光与物质相互作用的经典理论为基础建立了注入锁频理论模型，通过数值模拟，分析了注入光强、输出耦合透过率以及谐振腔腔长对频率失谐量的影响。最后讨论了影响模式耦合的因素，对模式匹配进行了理论分析。
　　实验方面，根据注入锁定激光器对不同组成部分的要求，分别实现了1.6μm稳定输出单纵模的主激光器，高能量、宽脉宽的从激光器以及注入锁频伺服控制系统。主激光器采用Er:YAG非平面环形腔，输出垂直偏振的单纵模激光中心波长在1645.24nm，最大输出功率为530mW。从激光器采用四镜“8”字环形腔结构，研究了连续运转及不同重复频率下从激光器的输出特性。最后，对注入耦合系统进行了设计并采用“ramp hold fire”技术实现了稳定的注入锁频激光输出，在重复频率为100Hz时获得了脉冲能量为2.9mJ，脉冲宽度为180ns的单频脉冲激光。

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第1章 绪 论

1.1课题的研究背景及意义

1.2 Er:YAG注入锁定固体激光器发展现状

1.2.1 Er:YAG连续单纵模激光器发展现状

1.2.2 Er:YAG脉冲激光器发展现状

1.2.3注入锁频激光器的发展现状

1.3本论文的主要研究内容

第2章 Er:YAG速率方程理论研究

2.1 Er:YAG晶体的光谱特性的研究

2.1.1 Er:YAG晶体的吸收光谱

2.1.2 Er:YAG晶体的发射光谱

2.2 Er:YAG连续运转速率方程建立

2.2.1输出耦合透过率对Er:YAG激光器斜率效率的影响

2.2.2上转换因子对Er:YAG激光器阈值的影响

2.2.3输出耦合透过率对Er:YAG激光器阈值的影响

2.3 Er:YAG 激光器调Q运转速率方程

2.3.1调Q运转速率方程的建立

2.3.2激光器调Q运转能量提取效率分析

2.3.3激光器调Q运转峰值功率分析

2.3.4调Q运转激光器输出脉冲宽度分析

2.4本章小结

第3章 Er:YAG注入锁定稳定性分析

3.1 Er:YAG单纵模主激光器稳定性分析

3.2 Er:YAG从激光器稳定性分析

3.2.1热透镜效应分析及测量

3.2.2四镜“8”字环形腔的设计及稳定性分析

3.3注入锁频理论模型的建立及稳定性分析

3.3.1注入锁频激光器频率失谐量

3.3.2模式匹配对注入锁定稳定性影响分析

3.4本章小结

第4章 Er:YAG锁定激光器的实验研究

4.1 Er:YAG单纵模主激光器实验研究

4.1.1 Er:YAG单纵模主激光器实验设计

4.1.2 Er:YAG单纵模主激光器输出特性研究

4.2 Er:YAG从激光器实验研究

4.2.1注入锁定激光器从激光器设计

4.2.2 Er:YAG从激光器输出特性研究

4.3 Er:YAG注入锁定激光器实验研究

4.3.1 Er:YAG注入锁定激光器实验设计

4.3.2 Er:YAG注入锁定激光器实验结果及分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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