双频微片激光器模式竞争及功率均衡机制研究

摘要

激光二极管（LD）抽运的微片激光器具有体积小、结构简单、性能稳定、光束质量好及使用寿命长的特点，因而其在科学研究、工业生产、光学医疗、国防建设以及光生毫米波等众多方面有着巨大的应用价值与应用前景。在无线通信领域，随着无线电频谱的日益紧张，对更高波段的毫米波频谱的应用为人们所关注并提上了议事日程。利用双频微片激光器的双频激光输出作为毫米波信号源的方法相对来说简单而有效，因而各国科学家对双频激光器的研究展现了良好的兴趣。
　　为了对可用于光生毫米波的双频微片激光器进行更好的研究，本论文主要对双频微片激光器的双频激光的模式竞争和功率均衡等方面进行理论与实验分析，具体包括如下几个方面的内容：
　　（1）对激光器的发展特别是微片激光器的发展进行了简要的概述，介绍了近些年来连续抽运以及短脉冲微片激光器的研究成果，并对微片激光器的主要应用场景进行了概况。
　　（2）简单阐述了双频微片激光器的原理及优点，对Nd:YVO4晶体的特性进行了详细的介绍。此外，对双频微片激光器的三能级、四能级速率方程进行推导，并且由此引出了双频微片激光器的工作特性的分析。
　　（3）研究了双频Nd:YVO4微片激光器输出的两个模式之间的竞争效应，确定了在不同反射率输出镜的双频激光腔内的自饱和与交叉饱和系数。待定自饱和、交叉饱和系数建立耦合速率方程，仿真获得不同反射率情况下相对功率曲线。实验中，改变激光器的腔参数获得双频激光的输出功率图谱，与仿真相对功率曲线对比确定自饱和、交叉饱和系数。实验结果表明，在反射率分别为86％、81%和61%时，对应自饱和系数分别为0.68、0.66和0.52。即输出镜反射率较小时模式竞争较大，这为定量的描述模式竞争提供了依据。此外，为获得交叉频差双频激光输出，应该使用反射率高的输出镜。
　　（4）根据微片激光器工作温度与增益介质发射频谱的谐振波长之间的关系，研究了双频Nd:YVO4微片激光器的功率均衡机制。在实验过程当中，通过温控调节微片激光器的热沉温度改变了激光器中模式竞争的大小，得到了双频激光中心波长变化及功率比的变化关系，并进一步实现了双频激光的相对功率可调。实验结果表明：当微片激光器热沉温度从2.5℃上升到35℃左右时，稳定输出的双频激光信号的中心波长由短波方向逐渐向长波方向漂移，并且双频激光功率差值呈现了一个大—小—大的变化过程。当激光器热沉温度在13℃左右时，双频激光的功率达到均衡，此时双频激光的功率积也很大，特别适用于作为光生毫米波的光源系统。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 激光二极管（LD）抽运固体激光器的发展概述

1.2 LD抽运的微片激光器发展概述

1.3 LD抽运微片激光器的用途

1.4 本文的主要研究工作及结构

2 LD抽运双频微片激光器的基础理论研究

2.1 双频微片激光器的原理及优点

2.2 Nd:YVO4激光晶体的特性

2.3 微片激光器的速率方程

2.4 双频微片激光器的工作特性分析

2.5 本章小结

3 Nd:YVO4双频微片激光器的模式竞争研究

3.1 基于耦合速率方程的双频模式竞争的理论分析

3.2 实验与模拟仿真分析

3.3 本章小结

4 Nd:YVO4双频微片激光器功率均衡研究

4.1 光生毫米波技术及其工作原理

4.2 功率均衡的理论分析

4.3 功率均衡的实验研究

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录