1.18微米全固态拉曼激光器的高效运转及人眼安全拉曼激光器

摘要

受激拉曼散射（SRS）是实现激光频率变换的有效途径之一，散射光频率由泵浦光的波长及拉曼介质本身决定。通过选择不同波长的泵浦光和拉曼介质，散射光的光谱可遍及紫外到近红外的范围，这大大拓宽了激光光谱范围。常用的拉曼介质有气体、液体和固体三种形态，由于固体拉曼介质粒子浓度大、体积小、拉曼增益高、热性能及机械性能好等优点，现在固体拉曼介质已取代气体和液体拉曼介质，成为最常用的拉曼介质；且固体拉曼介质可完美地与目前全固态激光器技术相匹配，实现全固态拉曼激光器。全固态拉曼激光器具有结构紧凑、效率高、稳定性好等优点，在信息、交通、医疗、测量和国防等领域都有重要的应用。 对于全固态拉曼激光器的研究目前主要集中在以下几个方面：（1）以目前最常用的1．06μm激光为泵浦源，通过受激拉曼散射产生1．18μm左右的激光输出；（2）对1．18μm拉曼光倍频，产生590 nm的黄橙光。该波段的激光在医疗、雷达、光谱学、海洋学、信息存储和激光制导等方面都有着重要的应用。（3）以1．3μm激光为泵浦光，通过受激拉曼散射可得到1．5μm的人眼安全激光输出。该波段的激光在激光雷达、激光测距以及自由空间光通讯中有重要的应用。目前，俄罗斯、美国、澳大利亚和中国台湾等国家和地区的研究者都在积极地参与固体拉曼激光器的研究。我国在晶体生长领域居世界领先水平，这给国内开展固体拉曼激光器的研究提供了有利的条件。在中国大陆，山东大学、南京大学、福建物质研究所等高等院校和研究所在全固态拉曼激光器理论及实验研究方面均取得了一些重要的研究成果。 本论文分别以Nd：YAG和Nd：YVO4作为激光介质，SrWO4、BaWO4作为拉曼介质，以及以c-cut的Nd：YVO4作为自拉曼晶体，进行了LD端面泵浦和LD侧面泵浦的内腔式拉曼激光器的研究。以主动调Q内腔式拉曼激光器速率方程为基础，优化设计了拉曼耦合输出镜的反射率，在1．06μm的基频光泵浦下，我们获得1．18μm的拉曼光的高效运转；在1．3μm的基频光泵浦下，获得1．5μm的人眼安全拉曼光输出。具体的研究内容如下： 1．以c-cut的Nd：YVO4晶体同时作为激光介质和拉曼介质，采用声光主动调Q，实现了LD端面泵浦c-cut Nd：YVO4主动调Q内腔式自拉曼激光器在1178 nm的高效运转。当LD泵浦功率为5．0 W，脉冲重复率为20 kHz时，实验得到拉曼光的最高平均输出功率为910 mW，相应的从LD到拉曼光的光．光转换效率为18．2％。这是采用自拉曼方式获得的LD泵浦内腔式拉曼激光器的世界最高转换效率。当LD泵浦功率为9．0 W，脉冲重复率为60 kHz时，获得的拉曼光最高平均输出功率为1．4 W。 2．以Nd：YAG晶体为激光介质，α切SrWO4晶体为拉曼介质，采用声光主动调Q，首次实现了LD端面泵浦的Nd：YAG/SrWO4主动调Q内腔式拉曼激光器在1180nm的高效运转。当LD泵浦功率为7．17 W，脉冲重复率为15 kHz时，实验得到拉曼光的最高平均输出功率为1．71 W，相应的从LD到拉曼光的光，光转换效率为23．8％。这是目前所报道的LD泵浦拉曼激光器的最高转换效率。 3．研究了LD侧面泵浦下，以Nd：YAG为激光介质，α切SrWO4晶体为拉曼介质，采用声光主动调Q，内腔式拉曼激光器的输出特性。采用凸平腔的设计以减轻腔内高泵浦功率下的热效应的影响。在泵浦功率为164 W，脉冲重复率为20 kHz时，实验得到拉曼光的最高平均输出功率为10．5 W，这是目前晶体拉曼激光器所获得的最高拉曼光输出功率。 4．以Nd：YVO4为激光介质，以BaWO4为拉曼介质，采用声光主动调Q，首次实现了LD端面泵浦的Nd：YVO4/BaWO4主动调Q内腔式拉曼激光器在1532 nm人眼安全波长的高效运转。在LD泵浦功率为12 W，脉冲重复率为35 kHz时，实验得到1532 nm拉曼光最高平均输出功率为1．5 W，相应的从LD到1532 nm散射光的光-光转换效率为12．5％。该结果与目前报道的人眼安全拉曼激光器的最高转换效率相当。 5．研究了不同LD泵浦光斑大小对人眼安全内腔式拉曼激光器输出特性的影响。以Nd：YVO4为激光介质，以BaWO4为拉曼介质，采用声光主动调Q方式，进行内腔式拉曼转换，研究不同LD纤芯直径对1532 nm拉曼光的最高平均输出功率的影响。当LD的光纤纤芯直径为400μm时，实验获得最高1532 nm拉曼光平均输出功率为680 mW；当LD的纤芯直径为600μm时，实验获得最高1532 nm拉曼光平均输出功率为1．5 W；当LD的纤芯直径为800μm时，实验获得最高1532nm拉曼光平均输出功率为1．6 W。 本论文的主要创新点如下： 1．研究和优化设计了LD端面泵浦主动调Q的c-cut Nd：YVO4内腔式拉曼激光器，实现了该激光器在1．18μm的高效运转。当LD泵浦功率为5．0 W，脉冲重复率为20 kHz时，实验得到拉曼光的最高平均输出功率为910 mW，相应的从LD到拉曼光的光-光转换效率为18．2％。这是目前所报道的采用自拉曼方式获得的LD泵浦内腔式拉曼激光器的最高转换效率。 2．首次实现了LD端面泵浦主动调Q的Nd：YAG/SrWO4内腔式拉曼激光器的高效运转，当LD泵浦功率为7．17 W，脉冲重复率为15 kHz时，实验得到拉曼光的最高平均输出功率为1．71 W，相应的从LD到拉曼光的光．光转换效率为23．8％。这是目前所报道的LD泵浦拉曼激光器的最高转换效率。 3．首次实现LD侧面泵浦主动调Q的Nd：YAG/SrWO4内腔式拉曼激光器的高效运转。在LD泵浦功率为164 W，脉冲重复率为20 kHz时，实验得到拉曼光的最高平均输出功率为10．5 W，这是目前所报道的由晶体拉曼激光器所获得的最高拉曼光输出功率。 4．首次实现LD端面泵浦主动调Q的Nd：YAG/BaWO4内腔式人眼安全拉曼激光器的高效运转。在LD泵浦功率为12 W，脉冲重复率为35 kHz时，实验得到1532 nm拉曼光最高平均输出功率为1．5 W，相应的从LD到1532 nm光的光．光转换效率为12．5％。该结果与目前国际最高水平相当。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 言

§1.1受激拉曼散射

§1.2常用拉曼介质

1.2.1 LiIO3晶1本

1.2.2 Ba(NO3)2晶体

1.2.3钨酸盐晶体

1.2.4钒酸盐晶体

§1.3固体拉曼激光器结构

1.3.1拉曼发生器

1.3.2外腔式拉曼激光器

1.3.3内腔式拉曼激光器

1.3.4耦合腔拉曼激光器

1.3.5自拉曼激光器

1.3.6拉曼黄光激光器

1.3.7连续拉曼激光器

1.3.8人眼安全拉曼激光器

§1.4本文的研究内容

§1.5本章参考文献

第二章LD泵浦c-cut Nd：YVO4自拉曼激光器

§2.1实验装置

§2.2实验结果与讨论

2.2.1拉曼光的功率输出特性

2.2.2拉曼光的时间输出特性

2.2.3拉曼光的光谱输出特性

§2.3结论

§2.4本章参考文献

第三章LD泵浦Nd：YAG/SrWO4内腔式拉曼激光器

§3.1 LD端面泵浦Nd：YAG/SrWO4内腔式拉曼激光器

3.1.1实验装置

3.1.2实验结果与讨论

§3.2 LD侧面泵浦Nd：YAG/SrWO4内腔式拉曼激光器

3.2.1实验装置

3.2.2实验结果与讨论

§3.3结论

§3.4本章参考文献

第四章LD泵浦Nd：YVO4 1.3μm激光输出特性研究

§4.1实验装置

§4.2实验结果与讨论

4.2.1 400μm光纤耦合LD泵浦下，1342 nm激光输出特性

4.2.2 600μm光纤耦合LD泵浦下，1342 nm激光输出特性

4.2.3 800μm光纤耦合LD泵浦下，1342 nm激光输出特性

4.2.4三种不同泵浦条件下，1342 nm输出特性的比较及讨论

§4.3总结

§4.4本章参考文献

第五章人眼安全拉曼激光器

§5.1实验装置

§5.2实验结果与讨论

5.2.1功率输出特性

5.2.2时间输出特性

5.2.3光谱输出特性

§5.3总结

§5.4本章参考文献

第六章全文总结

§6.1己研究的内容

§6.2本论文主要创新点

§6.3待研究的问题

致 谢

攻读学位期间参加的项目、获得的奖励及发表的论文

附录：两篇已发表英文论文(SCI)

发表论文一

发表论文二