共振泵浦2μm掺钬固体激光器

【摘要】2gm相干光源在军事、工业和医疗等方面日益显现的巨大应用价值,使其成为目前激光技术领域非常重要的研究方向之一。Ho离子掺杂激光增益介质能够直接获得-2.1μm激光,且得益于共振泵浦技术,可以实现极高的光-光转化效率；此外Ho离子掺杂的晶体类材料所具备的储能优势,是获得高能脉冲激光输出的重要可靠保障。本文着重从实验研究方面探索了几种新型的Ho离子掺杂石榴石系激光增益介质激光器的连续波和被动调Q运转特性,包括新型光学功能材料,Ho:LuAG透明陶瓷、混晶Ho:LuYAG和单晶Ho:LuAG。在本论文中,我们通过分析Ho掺杂块体增益介质的激光跃迁能级,确定了以Tm光纤激光器作为Ho激光器共振泵浦源的技术方案,并自建了Tm光纤激光器。该光纤激光器采用体布拉格光栅(VBG)作为波长选择和窄化器件,在792nm波长LD泵浦功率为164W时,获得了44W波长为1907nm的窄线宽激光输出。对于Ho:YAG透明陶瓷激光器,我们首先研究了该增益介质的透射光谱、吸收和发射光谱随掺杂浓度变化的情况。然后采用低损耗的平凹两镜腔结构,通过优化掺杂浓度和耦合输出镜的透射率,在泵浦光外围35W时,获得了21W高效率的激光输出；同时也对比研究了Ho:YAG透明陶瓷掺杂浓度对激光器运行效率的影响,发现掺杂浓度高达4at.%的样品仍然可以发射激光,而未见到同掺杂浓度单晶激光器的相关报道。此外,论文中还使用石墨烯作为可饱和吸收体器件实现了Ho:YAG透明陶瓷的被动调Q激光输出,一方面验证了Ho:YAG透明陶瓷在被动调Q输出方面的可行性,另一方面证明石墨烯材料的宽带可饱和吸收特性(2097nm)。对于Ho:LuAG透明陶瓷,在研究其光谱特性的基础上,实现了连续波激光输出；由于增益介质未镀增透膜,过高的损耗导致激光器的运行效率较低,但在这种高损耗腔中,通过变换耦合输出镜的透射率,观察到了Ho:LuAG透明陶瓷激光器的三种激光跃迁过程(对应三个激光波长)随耦合输出镜透射率变换而发生的竞争现象,并探讨了其成因。对于混晶Ho:LuYAG和单晶Ho:LuAG,重点研究了这两种材料的光谱特性、激光连续波运转和被动调Q运转的差异；由于混晶Ho:LuYAG中,Ho离子既可以取代Lu离子又可以取代Y离子,因此在不同Ho离子位置处的晶体场会有所变化,进而引起光谱的非均匀加宽。在本研究工作中,这两种晶体都获得了目前最高的连续波输出功率；当使用可饱和吸收镜(SESAM)作为被动调Q器件时,两种晶体都获得了较为稳定的脉冲激光序列。总体来说Ho:LuYAG比Ho:LuAG更适合激光运转。在Tm光纤激光器共振泵浦Ho固体激光器的研究中,我们获得了多项重要的成果,主要形成了以下创新点：1、以激光波长为1907nm的可调谐、窄线宽Tm光纤激光器作为共振泵浦源,在透明陶瓷Ho:YAG和单晶Ho:LuAG的激光器中,当泵浦光功率为35W时,分别获得了目前国际最高的21.4W和18W连续波输出功率,相应的激光波长为2097nm和2124.5nm,斜率效率分别达到了63.6%和53.4%。2、在上述相同的泵浦条件下,混晶Ho:LuYAG获得21W高功率、高效率连续波2124nm激光输出,斜率效率为61.5%;这是该材料首次实现激光输出。3、首次实现了透明陶瓷Ho：LuAG(未镀增透膜)的连续波激光输出,并观察到了三种激光跃迁过程(对应3个激光波长)的竞争。4、首次实现了以石墨烯作为被动开关的Ho块体激光器调Q激光输出,在当最大泵浦功率为3.27W时,获得了0.26W的调Q脉冲激光输出,中心波长2097nm,相应获得了最大重复频率64kHz,最小脉宽2.61μs。5、以SESAM作为被动调Q器件,首次实现了混晶Ho:LuYAG和单晶Ho:LuAG的被动调Q激光输出。
【作者】陈浩；
【导师】沈德元；
【作者基本信息】复旦大学，光学，2013，博士
【关键词】Tm光纤激光器；Ho固体激光器；共振泵浦；调Q激光；石墨烯；半导体可饱和吸收镜；Ho:YAG透明陶瓷；Ho:LuAG透明陶瓷；Ho:LuAG晶体；Ho:LuYAG晶体；

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