全固态内腔拉曼激光器与准连续模式589nm激光器研究

摘要

非线性变频技术是拓宽光谱覆盖范围，不断满足实际应用的一种重要手段，在光学的研究领域内占有重要的地位。常见的非线性效应主要有二阶非线性效应和三阶非线性效应，其中二阶非线性效应有倍频、和频、差频、光参量振荡等，三阶非线性效应有受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频等。其中受激拉曼散射是一种强激光与物质相互作用的现象，在这个现象中物质中的原子、分子或晶格与光电场相互作用。受激拉曼散射具有很高的受激特性，因此其散射光具有散射强度强和方向性高等特点，在医疗、测量、信息和交通等众多领域都有着广泛的应用。
　　激光导引技术可以创造出入造信标光，能有效解决自适应光学中自然信标光受限的问题，为自适应光学系统的运转提供必要条件。波长为589 nm的钠黄光可以有效激发“钠层”的钠元素，形成共振荧光，可以作为激光导引技术的激光光源。而随着半导体泵浦技术的发展和晶体生长工艺的进步，基于晶体拉曼方式来获得589 nm激光的研究引起了越来越多的关注。
　　随着激光技术在实际应用中的深入，人们对激光输出参数的要求也越来越高。但激光输出的参数有时是相互矛盾的，如高功率可能会导致光束质量变差等，因此激光放大技术应运而生。激光放大技术为一种利用光受激辐射进行光能量或功率放大的技术。根据输出激光的脉冲宽度不同，放大器可划分成超短脉冲放大器、脉冲放大器与长波放大器三种。另外，按照激光放大方式的不同，放大器也可划分成行波放大器、多次放大器与再生式放大器三种。
　　本论文以Nd∶YLF晶体选作基频增益材料，研究其结合SrWO4与BaWO4拉曼材料的激光输出情况。其中Nd∶YLF和BaWO4晶体的组合中，实现了双基频双拉曼的四波长同步输出，功率水平基本一致。研究了两种实现准连续工作模式589 nm钠黄光的方案，一种是通过腔内倍频侧面泵浦的Nd∶GGG/BaWO4拉曼激光器的方式，另一种是通过激光放大与倍频获取一个单纵模、高功率的532nm基频光，然后外腔拉曼的方式得到准连续模式589 nm激光器的方式。具体研究内容如下。
　　1.以Nd∶YLF晶体选作基频增益材料，SrWO4晶体选作拉曼增益材料，观察了半导体端面泵浦声光调Q内腔拉曼激光器的输出情况。基频波长值是1047.0 nm，一阶Stokes波长值是1158.7 nm。在10.5 W的泵浦光功率下，得到最大拉曼光功率是2.2 W，此时的调Q重复频率是6 kHz，脉冲宽度是8.7 ns，对应的光-光转化效率是20.9％。
　　2.以Nd∶YLF晶体选作基频增益材料，BaWO4晶体选作拉曼增益材料，获得了半导体端面泵浦的四波长同步输出激光器。两个激光腔都通过端面泵浦的声光调Q模式实现，通过一个偏振片将两个腔结合在一起，每个腔内都有一个a-cutNd∶YLF晶体。两个晶体结合偏振选择元件分别输出1047.0 nm和1053.0 nm的激光，两个腔共用一个调Q元件和BaWO4拉曼晶体。通过控制输出镜的镀膜我们能够实现两基频光和斯托克斯光的同时输出。在脉冲同步的情况下，我们得到的1047.0 nm、1053.0 nm、1159.4 nm和1166.8 nm四个波长的最高功率分别为427 mW、428 mW、423 mW和332 mW。并利用和频的方式得到了其在可见光范围内的五个和频波长。
　　3.以Nd∶GGG晶体选作基频增益材料，BaWO4晶体选作拉曼增益材料，KTP晶体选作倍频材料，研究了准连续侧面泵浦的声光调Q内腔倍频589 nm激光输出。589 nm激光的输出形式为宏微脉冲形式，当泵浦源的工作频率和工作时间被设为300 Hz和300μs时，589 nm钠黄光的输出平均功率是4.2 W，将占空比计算在内，此时的平均功率是46.2 W。脉冲宽度为13.6 ns，调Q频率为33.3 kHz，因此峰值功率计算得到为68.1 kW。
　　4.以Nd∶YAG晶体为激光介质实现了1064nm的单纵模输出。激光的调制模式选用声光调Q的方式，调制频率是50 kHz。1064nm激光在单纵模模式下运行，平均功率达到600 mW，在水平和垂直方向上测量的光束质量因子数值是M2x=1.08,M2y=1.10，脉冲宽度约为40 ns。
　　5.以单纵模1064 nm激光为种子，Nd∶YAG晶体光纤为增益介质，观察了1064 nm激光的放大情况。种子光在晶体光纤内的光斑分布为500-450-500μm，在5.5 W的平均泵浦功率下，种子平均功率被放大到0.99 W，此时的脉冲宽度和光谱宽度与种子基本相同，光束质量因子M2x=1.12，M2y=1.10。
　　6.基于三个Nd∶YAG晶体侧面泵浦模块，观察分析了单纵模1064 nm种子激光放大的情况。二级双程放大，功率被放大到10.4 W，提取效率为6.5％。三级单程放大，功率被放大的25.6 W，经偏振处理后功率为22.8 W。四级单程放大，功率被放大到54.0 W，经偏振处理后功率为40.0 W。
　　7.以LBO选作为倍频晶体材料，使用温度相位匹配的方式进行倍频，观察了532nm绿光输出的实验。温度设定到150.6℃，将39W基频光输入到倍频晶体中，我们获得了20 W的绿光输出，转化效率51.3％。532 nm绿光的脉冲宽度为28ns，光束质量因子为M2x=1.30，M2y=1.42。
　　本研究论文的主要创新点如下:
　　1.以Nd∶YLF晶体选作基频增益材料，SrWO4晶体选作拉曼增益材料，观察了半导体端面泵浦声光调Q内腔拉曼激光器的输出情况。在10.5 W的泵浦光强度下，拉曼光可达到2.2 W，相应的光—光转化效率为20.9％，此转化效率远远高于已有的基于Nd∶YLF晶体的拉曼激光器的效率。
　　2.首次以以Nd∶YLF晶体选作基频增益材料，BaWO4晶体选作拉曼增益材料，获得了半导体端面泵浦的四波长同步输出激光器。两个激光腔都通过端面泵浦的声光调Q模式实现，通过一个偏振片将两个腔结合在一起，每个腔内都有一个a-cut Nd∶YLF晶体。两个晶体结合偏振选择元件分别输出1047.0 nm和1053.0 nm的激光，两个腔共用一个调Q元件和BaWO4拉曼晶体。通过控制输出镜的镀膜我们能够实现两基频光和斯托克斯光的同时输出。在脉冲同步的情况下，我们得到的1047.0 nm、1053.0 nm、1159.4 nm和1166.8 nm四个波长的最高功率分别为427 mW、428 mW、423 mW和332 mW。并利用和频的方式得到了其在可见光范围内的五个和频波长。
　　3.首次晶体拉曼的形式获得了准连续589 nm激光的输出，5589 nm激光的输出形式为宏微脉冲形式，当泵浦源的工作频率与工作时间被设置成300 Hz和300μs时，589 nm激光的输出平均功率是4.2 W，将占空比计算在内，此时的平均功率为46.2 W。脉冲宽度为13.6 ns，调Q频率为33.3 kHz，因此峰值功率计算得到为68.1 kW。
　　4.首次利用准连续的扭摆腔单纵模输出的1064 nm激光器做为种子，分别经Nd∶YAG晶体光纤放大以及Nd∶YAG晶体放大，实现了高功率，窄线宽的1064nm输出，最后利用温度相位匹配，得到了平均功率20 W的准连续运转的532nm激光，可以为后续获得589 nm钠黄光提供基频光源。

目录

声明

摘要

第一章 绪言

§1．1 受激拉曼散射原理

§1．2 受激拉曼介质

§1．3 固体拉曼激光器

§1．4 激光放大技术

§1．5 钠导星激光器

§1．6 本文研究内容

参考文献

第二章 主动调Q Nd：YLF／SrWO4拉曼激光器研究

§2．1 内腔式拉曼主动调Q激光器理论研究

§2．2 半导体泵浦主动调Q Nd：YLF激光器研究

§2．3 半导体泵浦主动调Q Nd：YLF／SrWO4拉曼激光嚣研究

§2．4 本章小结

参考文献

第三章 基于拉曼转化的四波长同步输出激光器研究

§3．1 实验装置

§3．2 实验结果与讨论

§3．3 本章小结

参考文献

第四章 准连续侧面泵浦589 nm激光器

§4．1 准连续侧面泵浦主动调Q拉曼激光器研究

§4．2 准连续侧面泵浦589 nm激光器研究

§4．3 本章小结

参考文献

第五章 单纵模准连续532 nm激光器研究

§5．1 1064 nm激光种子源——扭摆腔声光调Q单纵模激光器

§5．2 单纵模1064 nm激光一级放大

§5．3 单纵模1064 nm激光二级放大

§5．4 单纵模1064 nm激光三级放大

§5．5 单纵模1064 nm激光四级放大

§5．6 单纵模1064 nm激光倍频

§5．7 本章小结

参考文献

§6．1 已研究内容

§6．2 论文创新点

§6．3 待研究的问题

致谢

攻读学位期间参与的项目、获得的奖励和发表的论文

附录