Ho:YAP单频激光器的研究

作     者：吴现松 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴通宇

授予年度：2019年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：2μm单纵模激光 F-P光谱 环形腔激光器 标准具 Ho:YAP 

摘      要：2μm单纵模(单频)激光在激光测距、激光医疗、激光雷达等领域都有很重要的作用,由于CO在2μm波段具有很强的吸收带,故2μm激光器还有一个很重要的应用,就是可以作为差分吸收激光雷达和多普勒测风激光雷达种子光激光器。而要满足成为这两者的种子光激光器的条件是单纵模、高功率、窄线宽,故设计本文的Ho:YAP环形腔激光器。针对窄线宽的要求,设计出腔长为1318 mm的环形腔;针对单纵模的要求,利用旋光器和二分之一波片的工作原理来实现激光器单纵模输出;针对高功率的要求,使用掺杂离子为Ho的晶体作为工作物质。本文的具体研究如下所示:首先,将通过研究几种实现单频输出方案的研究现状,分析这几种方案的优缺点,从而提出在平面环形腔中插入隔离器(主要组成是旋光器)或者声光Q的方案。其次,将研究Ho:YAP晶体的性能,分析Ho:YAP晶体的热膨胀和导热性,并研究Ho的能级跃迁和建立能级速率方程,研究晶体的发射截面和吸收截面,并分析Ho:YAP晶体的吸收光谱和发射光谱,为后文的研究提供了理论依据。在以上的研究基础上,将研究激光器的环形腔。针对单频激光单纵模的要求,在环形腔内加入旋光器和二分之一波片,使得环形腔激光器单频输出,因而研究激光器的振荡模式、旋光器和二分之一波片的工作原理。由于差分吸收激光雷达有对波长可调谐的要求,故使用标准具进行单频波长调谐,因而针对不同厚度的标准具和标准具倾斜角变化进行仿真,为后文波长调谐提供了理论依据。针对单频激光窄线宽的要求,将研究四镜八字环形腔,总长度达到1318 mm,并研究不同晶体热焦距下的环形腔的光斑大小,以便于后文的研究。最后,将开始Ho:YAP环形腔激光器的实验部分,研究环形腔激光器的搭建,并在环形腔双向运转时,比较晶体中心处在三种不同的泵浦光斑下的双向出光功率,比较三种不同输出镜透过率下的双向出光功率,并分析三种不同输出镜通过率下的波长和法布里-珀罗(F-P)光谱。在环形腔单向运转时,将比较三种不同输出镜透过率的单频功率,其中输出镜透过率为15%时,单频功率最大为345 mW,光束质量(M )因子为1.04,斜率效率为22.5%。在最大单频功率345 mW时,选取四种不同厚度的标准具进行波长调谐,其中,厚度为0.3 mm的标准具波长调谐范围最大,调谐范围从2116.35 nm到2119.75 nm。当输出镜透过率为15%时,研究在厚度为0.3 mm的标准具下进行单频波长调谐时F-P光谱的变化,经过分析得出,随着波长的变化,F-P光谱的单纵模数量和间距都发生变化。