以Yb：YAG为增益介质的激光输出性能理论研究

摘要

掺镱离子(Yb3+)激光材料具有能级结构简单，量子亏损低，热负荷低，荧光寿命长，发射带宽，不存在激发态吸收和能量上转换等优点，被广泛应用于固体激光器中。本论文理论研究了以掺镱钇铝石榴石(Yb3+:Y3Al5O12，Yb3+:YAG)晶体为增益材料的激光输出性能。 绪论首先简要介绍了液体和气体激光器，同时较详细地介绍了固体激光器以及光纤激光器和半导体激光器的基本结构和发展现状；其次，介绍了激光二极管泵浦固体激光器的研究现状；再次，介绍了激光器的相关理论及其发展和适应范围。 第一章对Y3+:YAG晶体进行了较详细的介绍。先简单介绍掺Yb3+激光材料的特点，然后重点介绍了Yb3+:YAG激光晶体，给出了其能级图以及吸收光谱和发射光谱，说明了该晶体在可调谐运转、调Q激光和超短脉冲激光三个方面的研究和应用进展。 第二章理论分析了在激光二极管(Laser Diode，LD)和钛宝石激光器两种泵浦光源作用下Yb3+:YAG激光器输出1030 nm激光的性能。文章中考虑了940 nm端面泵浦时的激光性能。该泵浦方式下，泵浦光通过会聚光学透镜入射到晶体的端面上，该端面为减少损耗通常镀有对泵浦光的增透膜，起振后的激光由输出耦合镜输出。从稳态连续输出激光所要满足的总增益等于总损耗这一条件出发，建立了准三能级速率方程，其中考虑了Yb3+自吸收的影响。对比了考虑泵浦光吸收饱和效应和未考虑泵浦光吸收饱和效应这两种情况下，Yb3+:YAG激光的输出功率和入射泵浦阈值随Yb3+浓度和晶体厚度的变化以及激光输出功率随入射泵浦光功率的变化。通过数值计算，结果表明： (1)由于1030 nm处的发射谱与Yb3+:YAG的吸收谱有较大的重叠，晶体存在严重的自吸收，入射泵浦光功率必须足够强时才能有激光输出，因此激光器的阈值都比较高。在两种不同的泵浦光源作用下，无论是考虑了泵浦光吸收饱和效应，还是未考虑泵浦光吸收饱和效应，当Yb3+浓度给定时，都存在最佳的晶体厚度，使入射泵浦光的阈值功率最低；考虑泵浦光吸收饱和效应后，最佳的晶体厚度变小，阈值功率升高。同样，当晶体厚度给定时，也存在最佳的Yb3+浓度使输出激光功率最大。考虑泵浦光吸收饱和效应后，最佳的Yb3+浓度减少，激光器的输出功率降低。 (2)通过分析激光输出功率和入射泵浦光功率的关系图可知，当泵浦光的功率较小时，考虑泵浦光吸收饱和效应和未考虑泵浦光吸收饱和效应这两种情况的激光输出功率都比较小，但差异不大，而随着泵浦光功率的增大，激光输出功率的增大，两者相差越大。可见，当激光输出功率较小时，激光的输出光强远小于泵浦光的饱和光强，泵浦饱和效应的影响不大，故在多数激光理论计算中，经常忽略了泵浦吸收饱和的影响，认为泵浦光的吸收系数没有变化的。但在高功率的激光器中，要准确考虑各种因素对激光器的阈值功率和输出功率的影响，泵浦光吸收饱和效应是必须考虑的。 在第三章中，从理论上研究了Yb3+:YAG作为短脉冲激光增益介质产生短脉冲激光的性能。先建立了环型腔模型，通过连续种子激光注入环型腔中来获得高功率短脉冲激光，激光脉冲的频率可以通过种子激光的频率来控制，激光脉冲的脉宽则可由声光调制器的射频(RF)信号来控制。从稳态Yb3+:YAG环型腔的速率方程出发，通过考虑各种相关条件来求解速率方程，得到环型腔中短脉冲激光的输出光强；采用LD作为泵浦光源，考虑单程泵浦、双程泵浦和相对泵浦三种不同端面泵浦形式对环型腔中激光脉冲光强的影响。通过数值计算，得出以下结论： (1)激光脉冲光强与种子激光光强有关。随种子激光光强的变化，双程泵浦得到的短脉冲激光峰值光强最大，因为它能吸收最多的泵浦功率；而当吸收相同的泵浦功率时，沿着纵向分布一致的泵浦光强有利于产生高的峰值光强，这也暗示了采用侧面泵浦方式也许会更适合，因为这种泵浦方式下沿着纵向分布的泵浦光强度几乎是不变的。 (2)激光脉冲光强会随着连续种子激光频率(波长λ0=c/v0)变化。无论是单程泵浦、双程泵浦还是相对泵浦，每种泵浦方式下的激光强度峰值都大致位于1033 nm种子波长处，而并没有出现在增益曲线中心对应的波长(1030 nm)处，这也说明了最佳的种子激光波长主要受入射泵浦光强、种子光强、声光调制器产生的频移、增益介质长度的影响，而与泵浦方式无关；另外，在1040 nm种子波长位置处，激光的输出光强仍比较高。 (3)输出的峰值光强是与增益介质的长度有关。由于Yb3+离子的自吸收损耗，存在最佳的增益介质长度，比较单程泵浦、双程泵浦和相对泵浦三条曲线可得出，双程泵浦方式作用下最佳的增益介质长度最短。 (4)无论是单程泵浦、双程泵浦还是相对泵浦，激光脉冲的脉宽几乎是相同的，但是输出光强却不相同；双程泵浦方式下激光输出光强还是最大。 结论部分对本论文的研究工作进行总结，指出了研究意义，并诚恳提出了尚待完善的地方。

目录

文摘

英文文摘

声明

绪论

第一节激光器简介

第二节LD泵浦固体激光器的研究现状

第三节激光理论

第四节本论文主要研究内容

第一章Yb3+：YAG激光晶体的概述

第一节掺Yb3+激光材料的特点

第二节Yb3+：YAG晶体

第三节本章小结

第二章LD和钛宝石端面泵浦Yb3+：YAG晶体的理论分析

第一节引言

第二节LD端面泵浦Yb3+：YAG激光器理论分析

第三节钛宝石端面泵浦Yb3+：YAG激光器理论分析

第四节本章小结

第三章连续激光注入Yb3+：YAG环型腔短脉冲激光性能理论研究

第一节引言

第二节锁模技术

第三节短脉冲激光的产生

第四节不同方式的泵浦光强

第五节数值模拟计算

第六节本章小结

第四章结论

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历