大能量Ho:YAG固体激光器激光输出性能的研究

摘要

2μm波段的激光是属于人眼安全波段并且处于大气传输窗口和水的吸收峰。2μm波段的激光还可以作为3~12μm宽带可调谐中红外激光器的泵浦源。这一系列的优点,让2μm激光在军事、医疗、民用、科研等方面具有广阔的应用前景,成为世界各国争相研究的对象。其中单掺Ho晶体的固体激光器较其他方案更容易获取高功率、大能量、光束质量较好的2μm激光输出,是目前的研究热点。为了获取大能量、高光束质量的2μm激光输出,本文主要以Ho:YAG固体激光器作为研究对象,从理论和实验上对其激光输出的性能进行了研究。
　　理论上,分析了Ho:YAG晶体的吸收谱和发射谱,从而确定泵浦波长以及激光发射波长。建立了Ho:YAG晶体的热分布模型,并对晶体场的温度分布和晶体热透镜效应进行了分析,得到了晶体等效热焦距的表达式。根据Ho3+的跃迁机制,建立了单掺Ho3+的准二能级速率方程模型。通过对该模型的数值仿真,讨论了激光晶体、泵浦光、以及谐振腔等因素对Ho:YAG激光器激光输出性能的影响对Ho:YAG激光器的谐振腔进行了研究,设计了两种不同的腔型,理论上分析了影响谐振腔稳定性的条件以及腔内振荡光斑的大小。
　　以理论部分的分析为依据,对两种腔型的大能量Ho:YAG激光器的输出进行了实验研究。对于“L”型谐振腔,采用的Ho:YAG晶体尺寸为Φ5×45mm3,Ho3+的掺杂浓度为0.8at.％。当注入泵浦功率为93.9W时,振荡腔获得最大输出功率为32.9W,斜坡效率和光光效率分别为52.26%和35.0%。当激光器在调Q运转时,重频为1kHz获得最大输出能量为30mJ,脉宽28.2ns。振荡腔输出的激光经过一级放大以后,获得最大连续输出55.2W、脉冲能量输出52mJ。激光输出波长和光束质量因子分别是2090.6nm和2.1。对于“M”型谐振腔,Ho:YAG的晶体尺寸为Φ5×50mm3,Ho3+的掺杂浓度为0.5at.%。当注入泵浦功率为75.6W,调Q运转,重频100Hz时,谐振腔获得最大输出能量52.51mJ,脉宽35ns,输出激光的波长和光束质量因子为2090.7nm和1.16。

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第1章 绪 论

1.1课题的研究背景及意义

1.2 2μm激光器的研究进展

1.3本论文研究的主要内容

第2章 Ho:YAG晶体基本特性的研究

2.1 Ho:YAG晶体的基本特性

2.2 Ho:YAG晶体的吸收和发射谱

2.3 Ho:YAG晶体的热效应分析

2.4本章小结

第3章 大能量Ho:YAG激光器的理论分析

3.1 Ho:YAG晶体的能级结构

3.2 Ho:YAG激光器速率方程的建立

3.3速率方程的求解过程

3.4 Ho:YAG激光器输出特性的理论模拟与分析

3.5大能量Ho:YAG激光器放大器的理论分析

3.6大能量Ho:YAG激光器谐振腔的设计

3.7本章小结

第4章 “L”型大能量Ho:YAG激光器的实验研究

4.1 Ho:YAG激光器的泵浦源——Tm:YLF激光器的输出参数

4.2“L”型腔Ho:YAG激光器的实验装置

4.3单端泵浦“L”型Ho:YAG激光器的实验研究

4.4双端泵浦“L”型Ho:YAG激光器的实验研究

4.5本章小结

第5章 “M”型大能量Ho:YAG激光器的实验研究

5.1谐振腔的结构

5.2单端泵浦“M”型Ho:YAG激光器的实验研究

5.3双端泵浦“M”型Ho:YAG激光器的实验研究

5.4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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