共振泵浦石墨烯被动调Q Er:YAG陶瓷激光器的研究

摘要

工作在1.6μm波段的调Q固体激光光源具有眼安全性,在遥感、自由空间通信和激光雷达等领域有着广泛的应用,而且可以通过非线性频率转换产生3-5μm中红外激光。本论文主要对使用石墨烯作为可饱和吸收体的1.6μm被动调 Q Er:YAG陶瓷激光器的理论和实验进行了细致深入的研究。　　论文首先对 Er/Yb共掺光纤激光泵浦系统进行了一系列的实验研究。实验第一步研究了自由运转下的Er/Yb共掺光纤激光器激光输出特性。在入射半导体激光器(LD)的泵浦光功率达到212.5 W时,获得了75.5 W的1.55μm激光功率输出。然后利用体布拉格光栅(VBG)作为波长选择元件,通过改变VBG的入射角对Er/Yb共掺光纤激光器的波长调谐特性进行了研究。在入射泵浦光功率为51 W时,最高获得了13.1 W的激光输出,并实现了1532-1570 nm的波长调谐,整个调谐范围内激光输出功率≥10.66 W。最后利用VBG将Er/Yb共掺光纤激光器的波长锁定在1532 nm,与Er:YAG陶瓷材料的吸收峰相一致,在入射泵浦光功率为127.5 W时,最高获得了30.4 W激光功率输出,相应的斜效率为24.7％。　　论文的理论分析部分,首先从ABCD定律出发,对固体激光谐振腔设计做了理论研究,并通过Matlab软件对谐振腔内的基模光斑尺寸和稳区范围进行了数值模拟。然后从端面泵浦准三能级系统的速率方程入手,对1.6μm Er:YAG激光器的阈值泵浦功率做了理论推导,并进行了相应的数值模拟。最后对Er:YAG激光器在不同腔损耗下的工作波长做了分析说明。　　论文的重点是研究被动调 Q Er:YAG陶瓷激光器的激光性能,首先介绍了Er:YAG陶瓷的制备过程及光谱特性。然后研究了连续波工作状态下Er:YAG陶瓷激光器的激光性能。最后以石墨烯可饱和吸收体(GSA)为被动Q开关,1532 nm Er/Yb共掺光纤激光器为泵浦源,采用了一个简单的四镜折叠腔设计,在1645 nm波长处实现了Er:YAG陶瓷激光器的调 Q脉冲激光输出。在最大入射泵浦光功率达到4.14 W时,获得了528 mW的平均输出功率,相应的脉冲能量和重复频率分别为7.08μJ和74.6 kHz。

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表清单

1 绪论

1.1 透明陶瓷激光技术发展概况

1.2 石墨烯可饱和吸收体发展概述

1.3 共振泵浦掺铒固体激光器

1.4 论文的主要研究内容

2 高功率铒镱共掺双包层光纤激光器

2.1 双包层光纤的结构及特性

2.2 铒镱共掺双包层光纤

2.3 包层泵浦铒镱共掺光纤激光器

2.4 本章小结

3 掺铒固体激光器光学谐振腔设计研究

3.1光线传播矩阵及ABCD定律

3.2 光学谐振腔稳定性条件

3.3 高斯光束q参数和ABCD定律在谐振腔中的应用

3.4 数值模拟和结果分析

3.5 本章小结

4 石墨烯被动调Q Er:YAG陶瓷激光器

4.1 1.6μm Er:YAG激光器

4.2 Er:YAG透明激光陶瓷

4.3 石墨烯可饱和吸收体

4.4 石墨烯被动调Q Er:YAG陶瓷激光器实验研究

4.5 本章小结

5 总结与展望

参考文献

作者简历

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