二级管泵浦大频差可调谐双频固体激光技术研究

摘要

大频差可调谐双频激光器广泛应用于光学传感、激光干涉测量、微波光电子和激光雷达等重要领域。在绝对距离干涉测量等应用领域中，需要大频差可调谐双频激光器作光源。常用的双频He-Ne激光器的荧光线宽约为1500MHz，不能产生大频差双频激光输出。与气体激光器相比，固体激光器的荧光线宽很大，并且激光二极管(LD)泵浦固体激光器具有全固态、体积小、结构简单、转换效率高等优点。因此，开展LD泵浦大频差可调谐双频固体激光技术研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
　　本论文主要内容包括以下几个方面：
　　第一，在分析二极管端面泵浦Nd：YAG激光器特性基础上，建立了LD端面泵浦双腔双频Nd：YAG激光器系统模型，分析了双腔双频Nd：YAG激光器的振荡特性和运转特性，为双腔双频Nd：YAG激光器的实验研究提供了重要的理论依据。
　　第二，设计了一种自然双折射双腔双频Nd：YAG激光器研究方案。该方案采用偏振分光棱镜(PBS)与石英半波片(HWP)组成一种新型双折射滤光片(PBS-HWP)；激光器的两个驻波谐振腔共用相同的Nd：YAG增益介质和选模元件PBS-HWP，使1064nm激光的p偏振分量和s偏振分量分别在直线腔和直角腔内同时以单纵模振荡输出。在此基础上，对该方案进行了优化设计，激光器的两个驻波谐振腔均采用方解石晶片作为输出耦合镜(BOC)，与腔内PBS组成两个独立的选模元件PBS-BOC，简化了激光器结构，消除了直线腔和直角腔频差调谐时的模耦合现象，更容易实现频差调谐。最后重点对频率和频差调谐特性进行了理论分析和实验研究。实验获得的最大频差值为168．6GHz，该值非常接近Nd：YAG晶体的荧光线宽。
　　第三，设计并研究了一种电光双折射双腔双频Nd：YAG激光器。根据双折射滤光片的选模原理和电光晶体的线性电光效应，采用铌酸锂晶片(LN)作为双折射元件，设计了一种电光双折射滤光片PBS-LN。分析表明，该滤光片可同时实现模式选择与频率调谐。通过分别调谐直线腔和直角腔内LN上施加的横向电压，使该腔电光双折射滤光片的透射峰在频率轴上移动，可选出不同的激光单纵模，实现频率和频差的调谐，频差调谐范围为9 GHz～132GHz。
　　第四，设计并研究了一种扭转模结构双腔双频Nd：YAG激光器。该激光器的两个驻波谐振腔共用相同的Nd:YAG增益介质，并以扭转模结构消弱空间烧孔效应，使Nd:YAG激光器的两个驻波腔均以单纵模振荡，输出了1064nm正交线偏振双频激光。分析了双频激光同时振荡原理和频差调谐原理，研究了1064nm双频激光的偏振特性和频差的连续调谐特性，实验观察到的最大频差调谐范围为1个纵模间隔。
　　第五，设计并研究了一种双波长单纵模掺铒光纤环形激光器。分析了未泵浦掺铒光纤饱和吸收体的单纵模选择原理和保偏光纤Bragg光栅（PMFBG）的双波长选择特性，设计了未泵浦掺铒光纤饱和吸收体的主要参数，研究了PMFBG的双波长选择特性和未泵浦掺铒光纤和饱和吸收体的单纵模选择特性，实验获得的波长差约为0.344nm，相应的频率差为43GHz。
　　为了探索大频差双频激光的产生和频差调谐技术，本论文对大频差可调谐双频固体激光器进行了系统深入的研究，实现了正交线偏振双频激光的稳定输出，为今后研究并开发性能优良的LD泵浦大频差可调谐双频固体激光器奠定了坚实的基础。

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1 绪论

1.1 双频激光技术的研究意义

1.2 双频固体激光器研究现状

1.3 双频激光技术发展趋势

1.4 本文研究目的和研究内容

2 二极管端面泵浦Nd:YAG激光系统及特性分析

2.1 系统组成

2.2 Nd:YAG激光器振荡特性

2.3 LD端面泵浦单频Nd:YAG激光器理论分析

2.4 本章小结

3 双腔双频Nd:YAG激光系统及特性分析

3.1 双腔双频Nd:YAG激光器系统模型

3.2 双腔双频激光同时振荡原理

3.3 双腔双频Nd:YAG激光器基本特性分析

3.4 双腔双频激光器的运转特性

3.5 本章小结

4 自然双折射双腔双频Nd:YAG激光技术研究

4.1 双折射滤光片的设计

4.2 双腔双频Nd:YAG激光器设计

4.3 单腔单频Nd:YAG激光器实验研究

4.4 双腔双频Nd:YAG激光器实验研究

4.5 系统优化设计与实验研究

4.6 本章小结

5 电光双折射双腔双频Nd:YAG激光技术研究

5.1 电光双折射

5.2 电光双折射滤光片设计

5.3 电光可调谐双腔双频激光系统设计

5.4 激光振荡特性实验研究

5.5 LN晶体温度效应对激光器输出特性的影响

5.6 本章小结

6 扭转模结构双腔双频Nd:YAG激光技术研究

6.1 扭转模结构双腔双频Nd:YAG激光器

6.2 单腔单频Nd:YAG激光器实验研究

6.3 双腔双频Nd:YAG激光器同时振荡特性研究

6.4 本章小结

7 双波长单纵模掺铒光纤激光技术研究

7.1 光纤激光器工作原理

7.2 双波长单纵模掺铒光纤环形激光器方案设计

7.3 双波长单纵模掺铒光纤激光技术实验研究

7.4 本章小结

8 总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研项目及取得的研究成果