新型掺钕钒酸盐与硅酸盐晶体光谱及全固态激光特性研究

【摘要】作为激光器的核心部件,激光材料一直是人们研究的热点。由于良好的光学特性、机械特性以及稳定的化学特性,钕掺杂的钒酸盐和硅酸盐晶体成为两大类比较重要的激光增益介质。对于钒酸盐晶体来说(Nd:YVO4,Nd:LuVO4和Nd:GdVO4),因为其内部掺杂的钕离子具有较大的吸收截面和受激发射截面,从而使得该类晶体成为中小功率全固态激光器的首选。然而,大的受激发射截面和相对较短的上能级寿命限制了该类材料在中小功率脉冲激光器中的应用。为了解决这一难题,近几年生长出了掺钕钒酸盐“混晶”(主要是Nd:GdxY1-xVO4、Nd:LuxGd1-xVO4和Nd:LuxY1-xVO4)。研究证明,在该类“混晶”中基质不同阳离子的相互取代使得钕离子的受激发射截面减小且上能级寿命增长,相应的使得其能量存储能力增强。从本质上来说产生这一现象的主要原因是此类“混晶”中钕激活离子发射光谱的非均匀展宽,然而对于非均匀展宽的的直接测量国内外未见任何报道。针对这一研究空白,本论文第二章对上述三种钒酸盐混晶中(GdxY1-xVO4,LuxGd1-xVO4和LuxY1-xVO4)钕离子发射光谱的非均匀展宽情况进行了直接研究。结果表明,由于基质中相同晶格内不同阳离子的相互占据,“混晶”光谱有了明显的非均匀展宽。而这种展宽对于调Q和锁模脉冲激光器来说都是非常有益的。另外,根据我们测得的不同温度光谱发现,随着温度增加发射谱变宽且发射峰均出现红移。在低温77K下,通过与常规钕钒酸盐晶体(Nd:YVO4,Nd:LuVO4和Nd:GdVO4)半峰宽的比较,可以直接得到每种组分配比的非均匀展宽量。对三个系列的钒酸盐混晶来说,最大的非均匀展宽和最长的能级寿命分别来自Nd:Gd0.63Y0.37VO4、Nd:Lu0.5Gd0.5VO4以及Nd:Lu0.61Y0.39VO4。通过首次对非均匀展宽效应的直接测量,可以确信基质阳离子相互取代是一种用来调节激活离子发射特性从而满足不同激光需求的有效技术手段。近年来,大量的激光实验都证明Nd:GdxY1-xVO4和Nd:LuxGd1-xVO4晶体脉冲能量增强效应和更短脉冲锁模特性。本文结合直接测量的光谱非均匀展宽特性发展了新型Nd:LuxY1-xVO4晶体,并在第三章系统全面地研究了该系列晶体的调Q、锁模以及自受激拉曼激光特性。在调Q脉冲激光实验中,用c切Nd:Lu0.1Y0.9VO4晶体得到了脉宽为1.9ns、能量为104.7μJ以及峰值功率为55.1kW的1.06μm被动调Q脉冲输出。用a切Nd:Lu0.1Y0.9VO4晶体得到脉宽为23.8ns,脉冲能量为124μJ以及峰值功率5.21kW的1.3μm声光调Q脉冲输出。本章也首次实现了该系列晶体的声光自拉曼激光输出,用半径为800μm的大光斑激光二极管作为泵浦源有效减小了激光和拉曼过程中产生的热效应。结合c切晶体大的能量存储能力最终得到1175nm拉曼激光结果为：101μJ脉冲能量,1.3ns脉冲宽度和78kW峰值功率。通过比较a切Nd:LuxY1-xVO4系列晶体的声光自拉曼激光输出结果,发现2.3W的最大输出功率来自具有较大热导率的Nd:Lu0.26Y0.74VO4晶体。除此之外,本章也研究了该系列晶体的锁模激光特性,最短的锁模脉宽来自光谱最宽的组分(x=0.61),这也间接地证明了Nd:Lu0.61Y0.39VO4晶体中钕离子最强的非均匀展宽效应。对于硅酸盐晶体的研究,之前主要是集中在闪烁晶体和镱离子掺杂上。近年来由于该类晶体的各向异性激光发射特性,钕激活离子掺杂的研究也频繁出现。然而,目前的研究还停留在基础工作,包括材料的生长、非偏振发射谱的测量、单一切向激光输出等。对其偏振光谱、各向异性发射及应用方面研究甚少。针对这样的研究现状,本文第四章通过测量不同折射率主轴方向的偏振发射谱,首次计算了Nd:LYSO晶体受激发射截面的空间分布；并利用受激发射截面很好地解释了该晶体的各向异性激光输出,提出利用低对称性晶体不同切向发射特性的差异来满足不同实际需要。利用该晶体双波长输出特性,结合新型可饱和吸收材料石墨烯的宽波段调制特性成功实现了双波长同步调Q激光输出。所得到的最大脉冲平均输出功率为1.8W,单脉冲能量为11.3μJ,峰值功率为118W。比光纤激光器中相应结果大2～4个数量级,这也是目前石墨烯应用于全固态激光器中的最好输出结果。良好的的脉冲输出特性已能实现腔外非线性和频,这不但说明得到的双波长在时域上是同步的,另一方面也有助于石墨烯的进一步实用化。利用Nd:LYSO晶体作为激光增益介质,我们在简单紧凑的两镜腔内观察到了连续和脉冲光漩涡激光输出,详见本论文第五章。这是国际上首次直接产生光漩涡(没用任何其他辅助光学元件)。随着泵浦功率的增加,脉冲光漩涡的脉冲能量维持相对稳定但是其轨道角动量是增加的。用柱透镜对组成模式转换器,将得到的LG模式光漩涡转化为HG模式输出,从而确定我们得到的是LG01和LG02模式的光漩涡。为了更明确光漩涡的产生过程和变化原因,用量子亏损更严重的1.36μm的激光输出来进行验证。结果高阶LG模式出现得更早且最终得到了更高阶的LG1o模激光。结合在1.08μm的光漩涡输出情况我们初步进行了解释：在连续激光运转下,热透镜效应使得振荡光模式半径变小,然后通过与泵浦光的模式匹配来进行输出激光模式的选择。在脉冲激光运转中,除了热透镜效应之外还有高功率密度所引进的非线性效应,这就更加加剧了光漩涡的产生,因此在脉冲激光中可以较早地得到光漩涡。此外,在1.36μm的被动调Q实验中,我们所用的可饱和吸收体为石墨烯,该过程证实石墨烯在对激光进行脉冲调制时不影响拓扑电荷的变化,可以作为光漩涡脉冲调制器件。本章研究的这种结构紧凑、轨道角动量可连续改变的光漩涡激光脉冲将在很多领域有潜在的应用。
【作者】赵永光；
【导师】许心光；王正平；于浩海；
【作者基本信息】山东大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】全固态激光；非均匀展宽；各向异性；光漩涡；钒酸盐混晶；硅酸盐混晶；

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