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Ho:YAP单频激光器的研究

Ho:YAP单频激光器的研究

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作者：吴现松哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词： 2μm单纵模激光 F-P光谱环形腔激光器标准具 Ho:YAP

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2.05μm Tm,Ho:YLF单频激光振荡器与Tm光纤放大器的研究

2.05μm Tm,Ho:YLF单频激光振荡器与Tm光纤放大器的研究

引用

作者：陈龙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

2μm激光匹配CO和水分子吸收峰,在大气传输方面优越。因此该波段的窄线宽激光具有重要的研究意义。现已应用于激光通信、激光遥感、激光医疗、光学参量振荡器(OPO)、激光光谱学等领域。本文基于法拉第旋光效应搭建了四面矩形Tm,Ho:YLF... 详细信息

2μm激光匹配CO和水分子吸收峰,在大气传输方面优越。因此该波段的窄线宽激光具有重要的研究意义。现已应用于激光通信、激光遥感、激光医疗、光学参量振荡器(OPO)、激光光谱学等领域。本文基于法拉第旋光效应搭建了四面矩形Tm,Ho:YLF单纵模激光器,利用声光调制技术获得脉冲单频光,并利用掺铥光纤对其进行放大,最终实现了重频、脉宽和波长可调的单频激光输出。本文的主要研究内容如下:1、分析了Tm,Ho:YLF激光晶体的物理特性与光谱特性,选取了788nm半导体激光作为泵浦源。以准三能级系统为基础,建立了Tm,Ho:YLF激光晶体作为增益介质的激光器速率方程,分析了泵浦光斑,输出镜透过率和上转换系数对环形腔Tm,Ho:YLF激光器输出性能产生的影响。建立了单端泵浦情况下板条状Tm,Ho:YLF晶体热模型,模拟仿真了在不同泵浦功率下晶体内部温度分布和端面热应力分布情况,并计算出了晶体的阈值断裂泵浦功率。利用晶体内部产生的光程差,计算了Tm,Ho:YLF晶体在不同泵浦光束腰半径和功率下的热焦距大小。2、基于法拉第旋光效应搭建了环形腔Tm,Ho:YLF单纵模激光器。输出最大功率为135m W,对应的中心波长为2051.1nm的单纵模激光。光束质量因子m为1.08。通过旋转F-P标准具,实现了波长2049.8～2053.7nm连续可调,覆盖了CO气体分子的吸收峰。利用声光调制技术搭建了腔外脉冲光产生装置,将连续单频光转换为脉冲单频光。3、介绍了铥光纤的光谱特性,以准三能级系统为基础,建立了掺铥光纤放大器速率方程,分析了铥离子掺杂浓度、铥光纤长度和泵浦功率对种子光功率放大产生的影响。搭建了铥光纤放大器,获得了重频为10KHz～60KHz,脉宽为1.67μs～90μs连续可调的激光输出,实现了在重频为10KHz,脉宽为10μs的单频激光输出。此时单脉冲能量0.25m J。本文报道了基于旋光效应搭建的Tm,Ho:YLF激光器,并且输出了稳定的单纵模激光。相较于其它放大系统,本文基于腔外声光调制技术和铥光纤放大器将种子光进行了放大,结构简单,稳定性好。输出的单频光重频、脉宽和中心波长很大范围内可调,具有一定的研究价值。

关键词： 2μm单纵模激光 Tm Ho:YLF 法拉第旋光效应环形腔激光器铥光纤放大器

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测量ZGP晶体折射率均匀性的Tm：LuAG单纵模激光干涉仪的研究

测量ZGP晶体折射率均匀性的Tm：LuAG单纵模激光干涉仪的研究

引用

作者：密淑一哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

3μm激光由于处于大气透明窗口,还是物体热辐射集中的波段,因此在红外制导、光电对抗上具有其他波段激光无法替代的特殊应用。磷锗锌(ZGP)晶体是产生3μm中红外激光常用的非线性晶体,其折射率均匀性是衡量晶体性能的重要指标之一,测量ZG... 详细信息

3μm激光由于处于大气透明窗口,还是物体热辐射集中的波段,因此在红外制导、光电对抗上具有其他波段激光无法替代的特殊应用。磷锗锌(ZGP)晶体是产生3μm中红外激光常用的非线性晶体,其折射率均匀性是衡量晶体性能的重要指标之一,测量ZGP晶体折射率均匀性可为其生长工艺的改进提供依据。以往研究人员都是采用商品化的红外干涉仪对晶体折率的均匀性直接进行测量,但这种干涉仪价格非常昂贵、结构复杂,并不能在基础实验中广泛应用。本文目的旨在现有的实验条件下,设计并搭建一套满足实验室基本测量需求的、结构简单的Tm:LuAG单纵模激光干涉仪,并将此干涉仪应用到对ZGP晶体折射率均匀性的测量实验中。本文的主要内容如下:1、分析了常用测量晶体折射率均匀性干涉方法的特点及测量结果分析手段,针对ZGP晶体折射率均匀性的测量,本研究选择Tm:LuAG单纵模激光器输出的2.02μm激光作为干涉光源,干涉结构采用马赫-曾德尔型,通过干涉条纹变化量得到ZGP晶体的折射率均匀性。通过比较常用获得单纵模激光的方法,本文采用基于法拉第效应的单向环形腔法,利用法拉第旋光器与半波片实现环形腔单向运转,从而产生单纵模激光。分析马赫-曾德尔型干涉结构产生空气楔等厚干涉的原理以及干涉条纹的特征,理论推导条纹变化量与晶体折射率均匀性间的定量关系。2、搭建干涉仪实验装置。环形腔Tm:LuAG激光器在实现单向运转时得到单纵模激光,最大输出功率为511 mW,波长为2022.40 nm,光束质量m因子为1.2。搭建干涉光路,利用光束分析仪获得干涉图像,利用国标法对干涉条纹进行处理计算,该设备测量ZGP晶体折射率均匀性的测量精度为2.5×10,并利用该干涉仪测量了16块ZGP晶体的折射率均匀性,根据折射率均匀性对ZGP晶体的质量进行了筛选。本文首次采用2μm单纵模激光来探测ZGP晶体折射率均匀性,设计并成功搭建出Tm:LuAG单纵模激光干涉仪,实现了对ZGP晶体折射率均匀性的测量。

关键词： 2μm单纵模激光干涉仪 Tm:LuAG ZGP 折射率均匀性

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