全固态高重频窄脉宽Nd:GdVO4激光器的研究

摘要

二极管泵浦的全固态激光器(DPSSL)具有效率高、体积小、长寿命和光束质量好等优点，广泛应用于军事、工业、医疗和科研等多个领域，长久以来一直处于研究的热点方向。随着新材料和新技术手段的不断出现，虽然近年来连续输出的DPSSL取得了迅速的发展，但到目前为止，高重频窄脉宽激光器的发展仍较为缓慢，难以满足激光雷达、激光加工、激光医学等领域的实际应用需求。鉴于此，本文致力于1.06μm波段高重频窄脉宽激光器的理论和实验研究。
　　首先对目前常见的几种典型DPSSL结构及其1.06μm激光器的发展状况做了详细介绍和分析，明确了其中存在的问题，确定了本论文中优选Nd:GdVO4晶棒的依据和实现高重频窄脉宽激光的努力方向。利用四能级速率方程理论对1.06μm连续、脉冲激光输出时做了理论推导及分析，对决定激光器输出性能的各种因素进行了研究，发现激光器空间模式匹配程度及激光器振荡模体积大小对高重频窄脉宽高光束质量激光的获得有着重要影响，因此讨论了泵浦光参数对平-平谐振腔、平-凸谐振腔、平-凹谐振腔等三种常见谐振腔模式匹配程度的影响，并以平-凸谐振腔为例进行了实验验证，证明了理论研究的正确性。考虑了热焦距抖动效应对这三种谐振腔的模式匹配效果所带来的影响。此外，从光学ABCD传输矩阵和菲涅尔-基尔霍夫衍射积分理论出发，推导了激光器中振荡模式热稳定性的理论表达式。这些理论研究为后面章节激光器谐振腔腔型及其参量的优化选择及设计提供了指导作用。
　　为获得高重频窄脉宽的被动调Q激光输出，针对高功率泵浦条件下衍射损耗愈发严重的事实，建立了包含衍射损耗项在内的被动调Q速率方程组，讨论了衍射损耗项对激光器内初始反转粒子数密度、最终反转粒子数密度、腔内光子数密度以及Cr4+:YAG晶体的下能级粒子数密度等参量的影响。对被动调Q输出脉冲波形调制进行了分析，并给出其由腔内横模之间拍频所引起的合理解释。另外，对[100]晶向切割的Cr4+:YAG晶体被动调Q线性偏振Nd:GdVO4激光器的输出特性进行了全面详细研究，讨论了振荡激光偏振方向与Cr4+:YAG晶体晶向之间夹角β值的不同对激光器各种输出特性的影响。同时还采用了879nmLD直接泵浦技术取代传统808nmLD泵浦及高效微通道散热器来缓解端泵激光器中热效应所带来的不良影响(热透镜效应、热致衍射损耗等)。提出了一种基于温度操作的控制 Cr4+:YAG被动调Q激光输出脉冲能量的方法，以Cr4+:YAG/Nd:YAG激光器为例进行了实验验证，当环境温度从-40℃变化为65℃时输出能量提高了0.73mJ，改变比例约为7％，且可以预测的是，若采用Nd:GdVO4激光晶棒，在相同的条件下将可以得到更大变化率的输出脉冲能量控制。
　　针对单一的被动调Q或主动声光调Q技术所存在的不足和难以克服的缺点，进行了双调Q技术研究。通过879nmLD单端泵浦复合GdVO4/Nd:GdVO4晶棒被动调Q、声光调Q及被动调Q加声光调Q的双调Q激光器对比实验研究，验证了双调Q技术的优点。此外，研究了879nmLD双端泵浦双块GdVO4/Nd:GdVO4晶棒双调Q激光器输出性能，在优化选择了Cr4+:YAG可饱和吸收体的初始透过率之后，采用了有利于减小激光器热效应的双端泵浦结构，结合π偏振光泵浦技术、半波片插入技术以获得高性能的高重频窄脉宽激光输出。当吸收泵浦功率为24.0W、谐振腔内无半波片和Cr4+:YAG可饱和吸收体、声光Q开关调制重复频率分别为10kHz和100kHz时，激光器输出脉冲宽度分别为12.1ns和22.7ns，当插入半波片和Cr4+:YAG可饱和吸收体后，输出脉冲宽度有非常明显地压缩，10kHz和100kHz重频下分别达到5.1ns和12.5ns，压缩值分别为7ns和10.2ns。当吸收泵浦功率为24.0W、脉冲重复频率分别为10kHz和100kHz时，双调Q激光器输出脉冲峰值功率分别为145.6kW和7.2kW，大于125.7kW和6.8kW的声光调Q激光器输出脉冲峰值功率。
　　针对脉冲透射式激光器难以获得与重复频率和增益水平无关的高重频窄脉宽激光输出，提出了采用快速调制的电光普克尔盒进行脉冲反射式(腔倒空调Q)高重频窄脉宽激光输出研究。为了消除TFP低消光比的限制，采用了V型腔结构，对879nmLD泵浦电光腔倒空调Q复合GdVO4/Nd:GdVO4晶棒激光器进行了实验研究。当吸收泵浦功率为29.2W时，连续输出功率为15.7W，光束轮廓呈近高斯型。在腔倒空操作中，获得了3.8±0.2ns的恒定脉冲宽度激光输出，且激光器最高重复频率可达100kHz。这是目前为止棒状晶体激光器高重复频率运行时的最窄输出脉冲宽度，同时也获得了100kHz重频下Nd:GdVO4激光器最高的脉冲输出峰值功率，当吸收泵浦功率为29.2W、重复频率为10kHz、50kHz和100kHz时脉冲峰值功率分别为252.6kW、65.9kW和34.4kW。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 几种典型的DPSSL结构及其1.06微米激光器的发展状况

1.3 棒状掺Nd3+高重频脉冲激光器的研究进展

1.4 掺Nd3+激光工作物质

1.5 本文的主要研究内容

第2章 高重频窄脉宽激光的基本理论及实现技术

2.1 激光器连续运转时的理论分析

2.2 激光器脉冲运转时的理论分析

2.3 激光器模式热稳定性及模式匹配的研究

2.4 高重频窄脉宽激光的实现技术

2.5 本章小结

第3章 被动调Q高重频窄脉宽激光器的研究

3.1被动调Q速率方程的研究

3.2 Cr4+:YAG晶体被动调Q特性研究

3.3 Cr4+:YAG晶体被动调Q激光输出研究

3.4本章小结

第4章 双调Q高重频窄脉宽激光器的研究

4.1 879nmLD单端泵浦双调Q实验研究

4.2 879nmLD双端泵浦双调Q实验研究

4.3 本章小结

第5章 腔倒空调Q高重频窄脉宽激光器的研究

5.1腔倒空调Q激光的理论分析

5.2 Nd:GdVO4晶棒直线腔腔倒空调Q激光器实验研究

5.3 GdVO4/Nd:GdVO4晶棒V型腔腔倒空调Q激光器研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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