具有浓度梯度的键合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4晶体热效应及（超）短脉冲激光特性研究

摘要

激光二极管泵浦的激光器，具有全固化、泵浦效率高、稳定性好的优点，被广泛地应用于通信、工业切割、军事及外科手术等领域，引起了人们对它的极大关注。
　　热透镜效应以及热致双折射效应会对腔内激光的稳定性产生影响，并会在系统中产生损耗。为了减小由于这种激光增益介质内部的热沉积而产生的热损耗，本论文用具有浓度梯度的键合Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4晶体作为激光增益介质，对其热效应及脉冲激光特性进行了研究。首先利用有限差分法将热传导方程的微分形式转化成差分形式，然后借助MATLAB计算机软件，模拟出了键合和普通Nd∶YVO4晶体内部以及泵浦端面上的温度分布情况。分别利用电光、声光、GaAs以及Cr4+∶YAG实现了单损耗调Q脉冲激光输出;利用电光/GaAs(Bi-GaAs)得到了双损耗亚纳秒量级的调Q锁模基频（倍频）激光的输出，并从理论上分析了双损耗亚纳秒调Q锁模的基频激光特性;利用半导体可饱和吸收镜（SESAM）研究了具有浓度梯度的键合及普通Nd∶YVO4晶体的锁模激光特性，并从理论上分析了锁模脉宽与腔内的能量密度之间的关系;最后实验研究了键合Nd∶YVO4的声光调Q泵浦的腔内参量振荡器，输出1.57微米人眼安全激光。论文的研究工作主要包括以下几个方面:
　　Ⅰ利用有限元法借助MATLAB软件，模拟出具有浓度梯度的多段键合和普通Nd∶YVO4激光晶体内部和泵浦端面的瞬时温度分布情况，结果表明，键合晶体能有效改善晶体的热效应，因此用这种键合晶体作为激光增益介质可以获得更好的激光输出特性。
　　Ⅱ采用结构简单紧凑的平凹腔结构，实现了LD泵浦的键合Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4晶体、电光(EO)主动调Q激光器1064nm激光运转，获得了两种不同键合Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4晶体和普通Nd∶YVO4晶体的平均输出功率、脉冲宽度、单脉冲能量和峰值功率随着泵浦功率以及EO调制频率的变化情况。
　　Ⅲ实验研究了LD泵浦的键合Nd∶YVO4晶体、声光(AO)主动调Q激光器1064nm激光运转，为了比较键合晶体和普通晶体的激光特性，实验中采用了两种不同键合Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4晶体和普通Nd∶YVO4晶体，得到了在不同的泵浦功率下的平均输出功率、脉冲宽度、单脉冲能量和峰值功率的变化情况。同时对声光和电光的主动调Q特性进行对比，发现电光的插入损耗更高，相应的脉冲宽度更窄。
　　Ⅳ实验研究了LD泵浦的键合Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4晶体GaAs饱和吸收体被动调Q激光特性，获得了输出功率、脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量及峰值功率在同一输出镜透过率、不同GaAs小信号透过率及泵浦功率下的变化关系。
　　V理论分析了Cr4+∶YAG饱和吸收体被动调Q特性，然后实验实现了LD泵浦的Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Cr4+∶YAG被动调Q激光输出，实验测得了在同一小信号透过率和不同输出镜反射率下输出功率、脉冲宽度及重复频率随泵浦功率的变化关系，进而计算出了单脉冲能量和峰值功率随泵浦功率的变化关系。
　　Ⅵ使用EO和GaAs，实现了LD泵浦的键合晶体双损耗调制低重频亚纳秒量级的单调Q锁模激光输出。到达一定的激光阈值后在一个Q包络下得到了一个锁模脉冲输出，进而得到了兆瓦量级峰值功率的脉冲激光。在1kHz电光调制频率下测量了平均输出功率、Q包络及单个脉冲的宽度、脉冲能量、峰值功率随泵浦功率的变化关系;考虑腔内的光子数密度、GaAs的单、双光子吸收及键合晶体不同Nd3+掺杂浓度对吸收系数的影响，建立了新型的速率方程模型，模拟出了不同泵浦功率下Q包络下的脉冲个数，数值模拟的结果与实验结果吻合得很好。
　　Ⅶ实现了LD泵浦的EO/Bi-GaAs双损耗调制Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/KTP亚纳秒绿激光的输出。实验测得了同一增益介质和电光开关、不同饱和吸收体及泵浦功率下调Q锁模和单锁模的平均输出功率、脉冲宽度、单脉冲能量的变化关系。实验结果显示，相对于EO/GaAs，EO/Bi-GaAs双损耗调制的单锁模绿激光的脉宽更窄，相应的峰值功率更高。
　　Ⅷ采用W型五镜折叠腔获得了LD泵浦下的键合Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4晶体和普通Nd∶YVO4晶体1.06微米连续锁模激光。通过ABCD矩阵理论，优化激光谐振腔得到了高功率、高稳定性的锁模激光输出。三块不同的 Nd∶YVO4晶体都实现了稳定的锁模激光输出，理论分析了脉冲宽度与腔内功率密度之间的关系，理论值与实验值相吻合。
　　Ⅸ采用声光(AO)开关，获得了键合Nd∶YVO4晶体主动调Q脉冲泵浦的腔内参量振荡器(IOPO)1570 nm的人眼安全激光。在固定的调制频率和不同泵浦功率下测得了信号光输出功率、脉冲宽度、单脉冲能量及峰值功率的变化情况。
　　论文的创新点:
　　Ⅰ首次利用有限差分法，借助MATLAB软件，模拟了具有浓度梯度的多段键合Nd∶YVO4晶体内部的温度分布情况。
　　Ⅱ使用EO和GaAs，首次实现了键合晶体双损耗调制低重频亚纳秒量级的单调Q锁模激光输出。考虑到键合Nd∶YVO4晶体内不同Nd3+掺杂浓度对吸收系数的影响，建立了新型的速率方程模型，对EO/GaAs双损耗调制Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4亚纳秒激光的输出特性进行了理论模拟，理论模拟与实验结果相吻合。
　　Ⅲ首次将Bi-GaAs和电光结合，实现了Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/Nd∶YVO4/KTP亚纳秒双损耗调制绿激光运转，得到了399 ps最小脉宽和1.1 MW的峰值功率，并将其与EO/GaAs双损耗调制的键合Nd∶YVO4绿光激光器进行比较，发现Bi掺杂的GaAs可获得更好的脉冲激光特性，是一种非常有应用价值的可饱和吸收体。
　　Ⅳ利用SESAM，首次实现了多段键合Nd∶YVO4晶体连续锁模激光运转，并从理论上分析了锁模脉冲宽度与腔内的功率密度之间的关系，理论计算与实验结果一致。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 引言

1．1 激光器的发展概况

1．2 脉冲激光器

1．2．1 调Q技术

1．2．2 调Q锁模技术

1．2．3 锁模技术

1．3 固体激光器的增益介质

1．4 激光增益介质的热效应及键合晶体

1．5 非线性光学频率变换技术

1．6 本论文的主要研究工作

参考文献

第二章 键合Nd：YVO4激光器的动态热效应

2．1 两种LD泵浦的基本结构

2．2 LD端面泵浦的激光增益介质的热效应分析

2．3 激光增益介质热效应的研究

2．4 键合及普通Nd：YVO4晶体内部的温度分布情况

参考文献

第三章 LD泵浦键合Nd：YVO4主动调Q激光特性研究

3．1 电光Q开关主动调Q激光特性研究

3．1．1 电光(EO)Q开关的工作原理

3．1．2 电光主动调Q键合Nd：YVO4激光器的实验装置和结果

3．2 声光开关主动调Q激光特性研究

3．2．1 声光(AO)Q开关的工作原理

3．2．2 声光主动调Q键合Nd：YVO4激光器的实验装置和结果

3．3 电光和声光开关主动调Q激光特性比较

参考文献

第四章 LD泵浦键合Nd：YVO4晶体被动调Q激光特性研究

4．1 GaAs材料的被动调Q的激光特性研究

4．1．1 GaAs材料的被动调Q机理分析

4．1．2 键合Nd：YVO4量体GaAs被动调Q激光器实验研究

4．2 Cr4+：YAG晶体的被动调Q激光特性研究

4．2．1 Cr4+：YAG晶体的被动调Q机理分析

4．2．2 键合Nd：YVO4晶体cr4+：YAG被动调Q激光器实验研究

参考文献

第五章 双损耗调制调Q锁模亚纳秒脉冲激光特性研究

5．1 亚纳秒高峰值功率键合Nd：YVO4激光特性实验和理论研究

5．1．1 1064nm亚纳秒键合Nd：YVO4激光器实验装置和结果分析

5．1．2 1064nm亚纳秒键合Nd：YVO4/Nd：YVO4/Nd：YVO4激光的理论分析

5．2 532 nm亚纳秒键合Nd：YVO4/d：YVO4/Nd：YVO4/KTP绿光激光特性研究

5．2．1 Bi-GaAs的制备工艺与基本性质

5．2．2 532 nm亚纳秒键合Nd：YVO4/Nd：YVO4/Nd：YVO4/KTP绿光实验装置及结果分析

参考文献

第六章 半导体可饱和吸收镜超快激光特性研究

6．1 锁模的基本原理

6．2 键合Nd：YVO4/SESAM被动锁模的实验装置与结果分析

参考文献

第七章 光参量振荡

7．1 三波混频

7．2 关于光参量振荡的原理

7．3 键合Nd：YVO4声光调Q输出泵浦OPO的实验装置及结果分析

参考文献

第八章 总结

致谢

攻读学位期间参与的项目、获得的奖励以及发表的论文

附：发表外文论文两篇(SCI)