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109.5W输出1.94μm波长tm:yap固体激光器

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红外与激光工程 2019年第4期48卷 87-94页

作者：苑利钢周寿桓赵鸿陈国魏磊李宝王克强华北光电技术研究所固体激光技术重点实验室北京100015

报道了一种高功率tm:yap激光器实验装置,采用b轴切割的yap/tm:yap/yap复合晶体作为激光增益介质,使用中心波长为795 nm的LD模块进行双端泵浦,当增益介质冷却温度为20℃,LD总泵浦功率为301.4 W时,获得了最高109.5 W的1.94μm波长线偏振... 详细信息

报道了一种高功率tm:yap激光器实验装置,采用b轴切割的yap/tm:yap/yap复合晶体作为激光增益介质,使用中心波长为795 nm的LD模块进行双端泵浦,当增益介质冷却温度为20℃,LD总泵浦功率为301.4 W时,获得了最高109.5 W的1.94μm波长线偏振激光输出,光-光转换效率约为36.3%,斜率效率约为45.8%,在此输出功率条件下测得光束质量M^2因子为3.8。

关键词： 1.94μm激光器端面泵浦 LD泵浦高功率 tm:yap

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tm:yap激光器泵浦8μm光参量振荡器

激光与红外 2012年第10期42卷 1124-1126页

作者：韩隆苑利钢魏磊王克强固体激光技术重点实验室北京100015

简要介绍了长波红外激光应用和技术发展状况,采用tm∶yap激光器泵浦光参量振荡器(OPO)的技术途径,获得了0.8 W的长波红外激光输出,输出波长峰值位于8.1μm,光参量振荡器的光转换效率为6%,输出斜效率为6.9%。

关键词：长波红外 tm:yap 8.1μm 光参量振荡器

tm：yap、ZnSe及Cr2+：ZnSe激光晶体的生长与性能研究

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Tm：YAP、ZnSe及Cr2+：ZnSe激光晶体的生长与性能研究

作者：张浩郑州大学

学位级别：硕士

由于tm3+具有与商用二极管匹配良好的吸收峰以及交叉弛豫量子效率接近于2的特性,掺tm3+固体激光器是近年来2μm激光器研究的重点方向之一。在现代工业、科研和军事中有着广泛的用途。此外,宽谱带可调谐（2.0-3.1μm）的中红外Cr2+:ZnSe... 详细信息

由于tm3+具有与商用二极管匹配良好的吸收峰以及交叉弛豫量子效率接近于2的特性,掺tm3+固体激光器是近年来2μm激光器研究的重点方向之一。在现代工业、科研和军事中有着广泛的用途。此外,宽谱带可调谐（2.0-3.1μm）的中红外Cr2+:ZnSe激光器也引起了人们极大的兴趣。由于其具有较宽的吸收谱（1.5-2.1 gm）,所以Cr2+:ZnSe激光器可以选用的泵浦源种类很多。本论文以自制的tm:yap激光器作为Cr2+:ZnSe激光器的泵浦源,为开展Cr2+:ZnSe激光晶体的激光性能研究奠定基础。本论文以tm:yap、ZnSe和Cr2+:ZnSe作为研究对象,在总结了已有报道的基础上,开展了晶体生长、性能表征和激光实验等方面的工作,主要包括两个部分的内容： 1. tm:yap晶体生长、光谱和激光性能研究。采用提拉法成功生长了4 at%浓度tm:yap晶体。围绕改善晶体生长条件和工艺参数展开了一系列研究工作。通过XRD分析确定生长的晶体为tm:yap晶体。测试并分析了tm:yap晶体的相关光谱性质。吸收光谱研究显示：生长的tm:yap晶体在688和794 nm波段范围有较强的吸收峰。荧光寿命实验研究显示3F4能级的荧光寿命为5.82 ms。对4 at%浓度不同轴向的tm:yap晶体进行了激光性能的测试。其中4 at% tm:yap c向样品在泵浦功率为24 w时,实现最优的激光输出。实验中采用793 nm激光二极管泵浦c向tm:yap晶体,实现了2.01μm激光输出,最大输出功率5.16 w,光转换效率为39%,斜率效率高达45.5%,连续可调范围从1894到2066 nm,在2010 nm得到最大的输出功率值为1.84 w。 2. ZnSe晶体生长、掺Cr2+:ZnSe晶体的制备及晶体缺陷和光谱性能的研究。采用温度梯度法（TGT）生长了直径为32 mm大尺寸ZnSe晶体。对生长出的ZnSe单晶进行了缺陷研究和光学性能分析。使用磁控溅射方法在ZnSe晶体上镀铬膜,通过热扩散方法成功制备出中红外Cr2+:ZnSe激光晶体,并研究了Cr2+:ZnSe晶体的光谱性能。吸收光谱测试观察到了Cr2+（3d4）离子取代四面体配位Zn2+离子的5T2→5E能级的跃迁在1800 nm的吸收带。77K低温的光致发光光谱表明Cr2+:ZnSe晶体具有中心波长位于2.2μm的宽谱带发射特征。这些工作为下一步设计Cr2+:ZnSe激光器提供优秀的Cr2+:ZnSe激光晶体和相关的参考数据。

关键词： tm:yap Cr2+:ZnSe 激光晶体晶体生长光谱特性

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tm:yap单晶光纤高功率连续激光研究

Tm:YAP单晶光纤高功率连续激光研究

作者：李权明深圳大学

学位级别：硕士

tm:yap晶体的发射峰众多,能够产生较多波段的激光,比较常见的波长有2μm、1.94μm、1.87μm、1.85μm等。tm:yap激光器产生的这些波长的激光在很多领域具有广阔的应用前景,比如2μm波段激光广泛应用在激光雷达和激光治疗等领域;1.94μm... 详细信息

tm:yap晶体的发射峰众多,能够产生较多波段的激光,比较常见的波长有2μm、1.94μm、1.87μm、1.85μm等。tm:yap激光器产生的这些波长的激光在很多领域具有广阔的应用前景,比如2μm波段激光广泛应用在激光雷达和激光治疗等领域;1.94μm激光可用作Ho泵浦源;而1.8μm波段的激光可以在气体检测、聚合物焊接和Cr离子激光泵浦等领域发挥重要作用。tm:yap激光晶体有着较为优良的机械性能和热力学性能,被广泛应用在上述波段高功率固体激光器中,然而进一步提升连续输出功率依然面临着热效应和晶体破裂应力的限制。单晶光纤是一种结构介于石英光纤与传统块状晶体之间的增益介质,相较于传统块状晶体,单晶光纤具有更好的热管理特性和泵浦波导等优点,相较于传统石英光纤,具有更低的非线性效应等特点。本论文对tm:yap单晶光纤开展研究,将石英光纤与传统块状晶体的特性相结合,在1.94μm、1.87μm、1.85μm这三个波段获得高功率、高效率的激光输出。在本文中,选用了b切3%掺杂浓度的tm:yap单晶光纤作为激光器的增益介质,晶体的长度为20mm,直径为1mm。由轴对称晶体的热传导方程出发,将该晶体在高功率泵浦下,晶体内部的泵浦分布、温度分布和应力分布进行了模拟,并用直径为3mm,长度为20mm的b切3%掺杂浓度的tm:yap激光晶体作为对照,讨论了不同晶体直径和不同大小泵浦光斑对晶体热效应的影响。从热透镜效应的原理出发,分析了不同泵浦功率下热透镜焦距的变化情况。从ABCD矩阵定律出发,在谐振腔参数符合稳定条件的情况下,模拟了热透镜焦距对谐振腔稳区的大小的影响。在以上理论研究基础上,进行了高功率tm:yap单晶光纤激光器的实验。实验中,我们选用了最高输出功率为140W,光纤芯径为200μm,数值孔径为0.22NA的泵浦源,并通过单端泵浦方式泵浦tm:yap单晶光纤,谐振腔采用的是平凹腔,通过改变输出镜的透过率的方式来改变激光器的输出波长。经过35:80的耦合透镜组之后,泵浦光的入射功率为138.4W,泵浦光斑直径为440μm,在波长1938.5nm处得到了最高70W的激光输出,斜效率为55.9%;在波长为1876.2nm得到了52.8W的激光输出,斜效率为45.9%;在波长为1851.7nm处得到了51.3W的最大输出,斜效率为46.8%;经过80:80的耦合透镜组之后,泵浦光的入射功率为122.4W,泵浦光斑直径为255μm,最终,我们在波长1937.7nm处得到了最高51.2W的激光输出,斜效率为46.2%;在波长为1876nm得到了35W的激光输出,斜效率为31.1%;在波长为1849nm处得到了33.3W的最大输出,斜效率为34.2%,并且输出这三种波长的激光均为线偏光。我们的研究表明单晶光纤是开发紧凑、高功率、高效率tm:yap连续激光的一条具有很大潜力的新方案。

关键词：高功率固体激光器 tm:yap 单晶光纤单端泵浦

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高功率tm:yap板条激光器实验研究

高功率Tm:YAP板条激光器实验研究

作者：李上哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

中红外2μm波段的激光，因具有处于人眼安全波段和大气传输窗口的特点，在激光医疗、光电对抗、材料加工和处理等许多方面有重要应用。tm:yap激光晶体具有机械、热力学性能优良，抗损伤能力强，发射的激光波长处于Ho:YLF等晶体的吸收峰... 详细信息

中红外2μm波段的激光，因具有处于人眼安全波段和大气传输窗口的特点，在激光医疗、光电对抗、材料加工和处理等许多方面有重要应用。tm:yap激光晶体具有机械、热力学性能优良，抗损伤能力强，发射的激光波长处于Ho:YLF等晶体的吸收峰等特点，是优良的2μm激光泵浦源;但该晶体强烈的热透镜效应限制了1.9μm高功率激光的输出。基于以上原因，本文致力于研究板条形状的tm:yap准三能级激光产生的机理、热透镜效应产生的原因及补偿方法，期望能获得高功率、高光束质量的1.94μm的激光输出。首先，以能级跃迁理论为基础，建立了考虑上转换损耗和交叉弛豫的单掺tm3+准三能级速率方程理论模型，分析了与泵浦光斑、谐振腔、晶体参数三方面相关的多种因素对激光器输出性能的影响。以热传导方程为基础，建立了板条状激光晶体热分布模型，模拟了各横截面的温度和应力分布情况。以热透镜效应产生机理为基础，分析了tm:yap激光器的热焦距随泵浦功率的变化情况。以ABCD定律和谐振腔稳定条件为基础，设计了能承受较小热焦距、具有较大稳定区的单块和双块tm:yap晶体的谐振腔结构。在上述内容基础上，进行了常温运转的单晶体tm:yap激光器的实验研究。实验中选用双端泵浦激光晶体的方式提高注入泵浦功率，采用双凹腔结构补偿tm:yap强烈热透镜效应，选用双F-P标准具控制激光器输出波长，最终获得了48W的1938.5nm的激光输出，相应的斜率效率和光光转换效率为43.6%和34.35%。输出激光从4.94W增加到47.1W时，激光中心波长从1938.4nm漂移至1938.8nm。输出功率为25W和35W情况下，激光器的光束质量因子分别为4.11和4.16。在单块tm:yap激光器实验研究的基础上，进行了常温运转的两块tm:yap激光器的实验研究。在泵浦功率257W的情况下，最终获得了69.5W的1.94μm的激光输出。用该激光器泵浦L型结构的Ho:YLF激光器，实验中tm:yap输出功率为54.7W时，Ho:YLF激光器输出了23.1W的2062.4nm的激光，斜率效率为47%，光光转换效果接近50%;加入调Q晶体后，在脉冲频率设定为1kHz的情况下，最大脉冲能量为18mJ，对应的脉冲宽度为22.6ns。

关键词：高功率固体激光器 tm:yap 1.9μm激光 Ho:YLF

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高功率tm：yap锁模激光器关键技术研究

高功率Tm：YAP锁模激光器关键技术研究

作者：张志恒北京交通大学

学位级别：硕士

tm:yap锁模激光器因其tm:yap激光晶体中tm的独特能级结构,能够输出2?m波段附近的激光,近年来受到越来越多的关注。2?m波段附近的激光是位于水分子吸收峰值附近,也是人眼相对安全波段,并且处于透过率相对较高的大气窗口,具有很多重要分... 详细信息

tm:yap锁模激光器因其tm:yap激光晶体中tm的独特能级结构,能够输出2?m波段附近的激光,近年来受到越来越多的关注。2?m波段附近的激光是位于水分子吸收峰值附近,也是人眼相对安全波段,并且处于透过率相对较高的大气窗口,具有很多重要分子的特征光谱。2?m波段的激光与其他波段的激光相比,以其独特的性质,广泛应用在医疗、遥感探测、光通信、军事等领域。鉴于2?m波段的激光有其重要的应用和研究价值,本文对tm:yap锁模激光器主要的研究内容包括以下几方面:1.对tm:yap激光晶体的研究:tm:yap激光晶体是各向异性晶体,不同的切向有不同的光谱特性;以及分析了不同泵浦功率、泵浦光斑半径等因素对晶体热透镜焦距的影响,并进行了数值计算。2.对半导体可饱和镜(SESAMs)和碳纳米管的锁模原理分析。在对连续tm:yap激光器速率方程,以及基于SESAM被动锁模速率方程研究,只有谐振腔内的脉冲能量大于连续锁模运转需要的最小脉冲能量才能够实现连续锁模脉冲的输出。分别对直型腔和折叠型腔激光器展开研究,利用MATLAB软件结合矩阵方程对稳区进行模拟分析以及激光光斑半径在腔内的变化,对谐振腔进行优化设计。3.研究了tm:yap激光晶体色散补偿问题,根据tm:yap激光晶体折射率方程,并利用MATLAB软件对色散补偿进行数值计算,对光栅对进行优化设计。在2?m左右的波段,tm:yap激光晶体的色散变为负色散,而不是近红外的正色散,对于tm:yap激光晶体的色散补偿,我们需要用产生正色散的器件进行色散补偿。***:yap锁模激光器实验研究,根据传输矩阵,利用MATLAB软件模拟了,在不同泵浦功率下tm:yap锁模激光器谐振腔的稳区范围,并模拟了光斑半径在谐振腔内的变化情况。

关键词：短波红外 tm:yap 被动锁模稳区范围

LD抽运高重频tm：yap调Q激光器的研究

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LD抽运高重频Tm：YAP调Q激光器的研究

作者：宋雪迪长春理工大学

学位级别：硕士

由于单掺tm固体激光器的激光输出波长在2μm附近,处于大气窗口,在激光测距、光电探测和环境检测等方面的应用前景日益广泛。尤其tm:yap脉冲激光器是获得3-5μm、8-12μm光学参量振荡(OPO)激光输出的理想光源。本论文从理论和实验两方面... 详细信息

由于单掺tm固体激光器的激光输出波长在2μm附近,处于大气窗口,在激光测距、光电探测和环境检测等方面的应用前景日益广泛。尤其tm:yap脉冲激光器是获得3-5μm、8-12μm光学参量振荡(OPO)激光输出的理想光源。本论文从理论和实验两方面对LD抽运高重频tm:yap调Q激光器进行了研究与探索。在理论方面,首先通过对tm:TAP激光器中tm的能级跃迁过程及连续运转情况下速率方程模型的分析,进而建立了调Q运转下tm:yap激光器速率方程模型,并对tm:yap调Q激光器输出能量及脉宽与重频关系进行了讨论。首次通过Comsol软件对tm:yap晶体的热效应进行分析,为高重频tm:yap调Q激光器的谐振腔设计奠定了基础。在实验方面,首先对LD单端抽运tm:yap连续激光器输出特性进行了研究,抽运功率为21.15W时,获得最大输出功率6.87W,斜率效率39.4%的激光输出。在对于LD单端抽运高重频tm:yap调Q激光器的研究中,着重分析了腔长、输出镜曲率及重频对激光输出特性的影响。实验采用国产与进口两种tm:yap晶体,并对两种晶体的输出特性进行了对比分析。使用国产晶体在重频1kHz时获得了中心波长1988.4nm,最大单脉冲能量3.21mJ,脉宽65.6ns的激光输出。实验分别测量了调Q后重频为1kHz、2kHz、5kHz和10kHz时的激光输出功率,讨论了重频改变对tm:yap调Q激光器输出特性的影响,并将实验结果与理论结果进行了对比。在重频10kHz,获得最大输出功率为4.3W。

关键词： 2μm激光器 tm:yap 高重频声光调Q

LD端面抽运板条tm:yap调Q激光器研究

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LD端面抽运板条Tm:YAP调Q激光器研究

作者：陈天宇长春理工大学

学位级别：硕士

tm:yap激光器可输出1.9μm激光,处于中红外2μm波段,具有对人眼安全的特点,因此tm:yap激光器在激光雷达、激光医疗,光电对抗,材料加工及处理等领域中都能发挥出重要的作用。tm:yap激光晶体具有优良的机械和热力学性能,其发射的激光波长... 详细信息

tm:yap激光器可输出1.9μm激光,处于中红外2μm波段,具有对人眼安全的特点,因此tm:yap激光器在激光雷达、激光医疗,光电对抗,材料加工及处理等领域中都能发挥出重要的作用。tm:yap激光晶体具有优良的机械和热力学性能,其发射的激光波长与Ho:yap等晶体的吸收峰较为重合,因此还可作为光学参量振荡（OPO）的理想光源,输出3-5μm或8-12μm激光。然而,由于该晶体强烈的热透镜效应,会导致激光输出的功率受到限制。基于以上原因,本论文以主动调Q的LD端面抽运板条tm:yap激光器为主要研究内容,从理论与实验方面进行研究,期望提高激光器输出功率,为8-12μm激光器提供抽运源。理论上,本文首先通过分析tm能级结构及脉冲运转的速率方程模型,得到了LD端面抽运tm:yap调Q激光器的速率方程模型和输出特性曲线。然后由热传导方程入手,分析了板条状和块状tm:yap晶体的光场分布以及温度分布。最后根据ABCD矩阵的稳区条件,分析了板条状和块状tm:yap晶体谐振腔的稳区范围,为实验开展提供理论依据。实验上,本文选用的激光晶体分别是尺寸为2×6×15mm的板条状晶体与3×3×15mm的块状晶体,两者皆为a轴切割,掺杂浓度为3at.%。本文先测量了板条和块状tm:yap晶体的热透镜焦距,再结合实验结果和理论分析,确定出激光谐振腔的参数。然后完成了LD端面抽运板条和块状tm:yap连续激光器实验研究和对比分析。LD双端抽运板条tm:yap激光器的抽运阈值为5.31W,当抽运功率为82.1W时,最大输出功率为24.57W,斜率效率为31.16%,光光转换效率为29.93%;LD双端抽运块状tm:yap激光器的抽运阈值为8.27W,抽运功率82.1W时,最大输出功率为20.58W,斜率效率为29.67%,光光转换效率为25.07%。最后完成了LD端面抽运板条和块状tm:yap调Q激光器实验研究和对比分析。LD双端抽运板条tm:yap脉冲激光器在重频为1kHz时得到脉宽38.95ns及490.12kW的峰值功率,在1kHz时得到的脉宽最窄,为22.44ns;LD双端抽运块状tm:yap脉冲激光器在重频为1kHz时得到最窄脉宽44.93ns及386.38kW的峰值功率。

关键词： 1.9μm激光脉冲 tm:yap 板条晶体

被动调Q与锁模tm:yap激光器的理论与实验研究

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被动调Q与锁模Tm:YAP激光器的理论与实验研究

作者：田义哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

半导体激光器泵浦tm:yap固体激光器的输出波长位于2μm波段,在环境监测、光电对抗、医疗等方面有广泛的应用。本论文从理论和实验两个方面对连续波(CW)、被动调Q(PQS)和被动调Q锁模(PQML)运转的tm:yap激光器进行了研究。在理论方面,主... 详细信息

半导体激光器泵浦tm:yap固体激光器的输出波长位于2μm波段,在环境监测、光电对抗、医疗等方面有广泛的应用。本论文从理论和实验两个方面对连续波(CW)、被动调Q(PQS)和被动调Q锁模(PQML)运转的tm:yap激光器进行了研究。在理论方面,主要进行了以下三方面的工作。首先,为了获得腔内激光模半径的分布,方便快捷的设计各种激光器谐振腔,根据ABCD矩阵理论编制了“固体激光器谐振腔计算机辅助设计软件V1.0”。其次,根据速率方程理论分别建立了CW、PQS和PQML激光器模型,编制了“固体激光器输出特性仿真软件V 1.0”,利用该软件可以方便的从理论上分析出CW,PQS和PQML运转激光器的输出激光功率、能量和脉冲的时间特性。最后,为了分析晶体热效应对激光输出功率、效率、长腔的稳定性等的影响,本论文首次建立了连续波泵浦的具有解析形式的含时热分析模型,同时首次推导并提出了热贡献系数和应力贡献系数的概念,并根据此模型编制了“激光晶体热分析仿真软件V 1.0”。此外,利用该软件对泵浦功率30W条件下半径为2mm的tm:yap晶体进行了动态热分析,结果表明晶体端面的热弥散时间常数约0.78s,但与晶体的半径参数无关,该晶体的热贡献系数值为1.29K/W,晶体内最高温度达326K,最大应力强度位于晶体端面的边缘处为10.2MPa。热分析结果还表明应力强度越靠近端面中心就会越快的达到稳态,而且稳态时相应的应力强度也越小,并通过tm:yap的破裂极限推得在应力贡献系数为0.34 MPa/W条件下该晶体的最大可允许泵浦功率为471W。在实验方面,主要开展了以下四个实验。一是测量热焦距实验,在泵浦功率164W时实验测量tm:yap的热焦距约为900mm,与“激光晶体热分析仿真软件V 1.0”的仿真结果一致,仿真与实验结果表明连续波泵浦的具有解析形式的含时热分析模型可以很好的反映晶体的瞬态热和应力的变化。二是CW运转tm:yap激光器实验,详细研究了LD的工作温度、腔长、输出镜透过率对激光输出特性的影响,验证了透镜补偿法和平凹镜补偿法两种热透镜补偿方案。利用“固体激光器输出特性仿真软件V 1.0”对激光器CW输出性能进行了模拟,搭建了L型腔激光器,实验结果与仿真的斜率效率均为34%,但仿真的阈值(6.35W)要比实际值小1.07W,分析了二者不一致的原因,最后验证了CW运转激光器模型的正确性。三是PQS实验,首次实现了LD泵浦用InGaAs/GaAs做饱和吸收体的双波长(1940nm和1986nm)输出的PQS tm:yap激光器。通过选择吸收体合适的位置,在泵浦功率35W条件下,获得了重频43.7kHz,脉宽447ns,最大脉冲能量达28.1μJ的脉冲输出。四是PQML实验,通过搭建1.8m的长腔,实现了LD泵浦用InGaAs/GaAs做饱和吸收体的PQML tm:yap激光输出,输出中心波长是1938nm,PQS效率达46.6%,PQML的调制深度约50%,最大平均输出功率达480mW。实验结果证明InGaAs/GaAs可以作为2μm波段的饱和吸收体。

关键词：固体激光器 2μm激光器 tm:yap 被动调Q 被动锁模