内腔式固体拉曼激光器及同步泵浦固体拉曼激光器研究
作者单位：烟台大学
学位级别：硕士
导师姓名：丁双红
授予年度：2020年
主 题：拉曼激光器 多拉曼模 速率方程 同步泵浦 超短脉冲 数值模拟
摘 要：用晶体作为拉曼介质的固体拉曼激光器因为其结构简单、转换效率高、稳定性好的优良特性被广泛应用于各个领域。与气体和液体拉曼介质相比,固体拉曼介质具有粒子浓度大、拉曼增益系数高、导热性能好及体积小的优点。同时,晶体拉曼介质具有多种拉曼振动模式可以实现受激拉曼转换,产生受激拉曼散射光。除了拉曼增益最大的拉曼振动模式,使用其他模式受激拉曼散射获得相干光是研究的热点。通过进行多拉曼模固体激光器的实验,人们实现了更多波长受激拉曼散射光的输出,进一步拓宽了光谱范围。此外人们一直致力于追求更短脉宽的脉冲,超短脉冲在工业、医学、军事和信息等领域有广泛的应用。近年来,利用同步泵浦拉曼激光器产生超短脉冲是研究的热点,关于这方面的实验报道很多,但有关这方面理论研究较少。本论文对LD泵浦主动调Q内腔式SrWO拉曼激光器进行了实验研究。在腔内只有Nd:YAG激光晶体,脉冲重复频率为30 KHz,泵浦为5 W时,获得了平均输出功率为1.606 W的基频光输出,泵浦光-基频光最大转换效率为32.12%。在脉冲重复频率为10 KHz,泵浦为5 W时,脉冲能量最大为116.4μJ,脉冲宽度最窄为8ns。腔内加入SrWO晶体后,在脉冲重复频率为30 KHz,泵浦功率为5 W时,得到了基频光平均输出功率为0.92 W,泵浦光-基频光转换效率为18.4%,当泵浦功率为4.5 W时,平均输出功率为0.857 W,转换效率最大,为19.04%。当泵浦为5 W,脉冲重复频率为10 KHz时,获得了1178 nm的Stokes光的最大平均输出功率0.702W,泵浦光-拉曼光的转换效率最大为14.04%,斜效率为17.25%,脉冲能量最大为70.2μJ。本论文对被动调Q多拉曼模固体激光器进行了理论研究。分析了常见拉曼晶体的振动模式及其对应的相对拉曼增益,总结出能够实现受激拉曼散射的拉曼模式。在被动调Q速率方程的基础上推导了具有两束拉曼光的速率方程,定义为拉曼光1和拉曼光2,分别是增益较小的次拉曼模和增益最大的拉曼模经过受激拉曼散射产生的一阶Stokes光。并将方程进行了归一化处理,获得了泵浦光与基频光在激光介质中的耦合率β、可饱和吸收体的漂白因子α、拉曼光1和拉曼光2的归一化拉曼增益系数M和M、拉曼光1与基频光的损耗比K、拉曼光2与基频光的损耗比K等归一化参量。根据实验数据和参考文献估算了归一化参量的取值范围,研究各个参量对两束拉曼光输出的影响,重点分析了K/K对两束拉曼光输出的影响,同时对M、N、α、M/M取不同值时对两束拉曼光的影响进行了分析,通过研究发现,K/K对抑制拉曼增益较大的拉曼光2,使拉曼增益较小的拉曼光1实现高效率转换有至关重要的作用,只有K/K足够大,才能实现拉曼光1的高效率转换。同时,N、α等值越大,在完全抑制住拉曼光2的情况下,更容易获得更大效率的拉曼光1输出。结合文献给出的实验结果,与数值模拟结果进行了比较分析,并对实验给出了一定的优化意见,可以通过改变可饱和吸收体的透过率来增大N,通过改变腔型结构来增大α,获得更高效率的拉曼光1的转换。同时在选取拉曼介质时,还可以通过选取M/M合理的拉曼晶体,使用较长拉曼晶体等方法,使得拉曼增益较小模式的受激拉曼转换效率最大。本论文对同步泵浦超短脉冲拉曼激光器进行了理论研究。推导了考虑群速度色散的受激拉曼散射瞬态耦合波方程,数值模拟时使用有限差分法将偏微分方程组转换为空间网格上的关于时间的常微分方程组,使用四阶龙格-库塔数值算法进行求解。重点分析了拉曼腔腔长失谐量、输出镜反射率和泵浦脉冲宽度对Stokes脉冲的影响,并分析如何获得更短脉宽的脉冲输出。分析了在输出镜对Stokes光反射率为90%,腔长失谐量分别为+8μm、-30μm和-300μm时,腔内Stokes脉冲和泵浦脉冲经过拉曼晶体前后的脉冲形状及运动轨迹,讨论了形成这些现象的原因,给出了输出Stokes光和泵浦光的光强和脉冲宽度,通过比较发现在腔长失谐+8μm时,输出Stokes光的峰值光强最强,脉冲宽度最窄。分析了输出镜对Stokes光反射率为80%,腔长失谐分别为+8μm、-39μm和-250μm时,泵浦脉冲和Stokes脉冲经过拉曼晶体前后的脉冲形状及运动轨迹,给出了输出Stokes光和输出泵浦光的光强和脉冲宽度,与输出镜对Stokes反射率为90%时的结果进行了比较,在其他条件相同的情况下,脉冲形状及运动轨迹基本相似,但80%反射率下的峰值光强大于90%反射率下的峰值光强,脉冲宽度略宽,脉冲能量略大。分析了相同泵浦能量下,不同泵浦脉冲宽度在腔长失谐为+4μm时,腔内泵浦脉冲和Stokes脉冲经过拉曼晶体前后的脉冲形状及运动轨迹,给出了输出Stokes光和输出泵浦光的光强和脉冲宽度。在泵浦脉冲宽度不同时,因为腔长失谐量相同,所以脉冲形状及运动轨迹基本相似,但泵浦脉冲宽度为1.92 ps时输出Stokes光峰值光强最大,脉冲宽度最窄,这是因为泵浦脉冲宽度越窄,相同泵浦能量下的泵浦峰值功率越大,输出的Stokes光峰值光强越强。通过理论研究可以更好的理解瞬态受激拉曼散射的原理,分析影响输出Stokes光光强和脉冲宽度的因素,并且指导实验获得更短的脉冲。
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