Yb:YAG强化Cr,Yb:YAG自调Q微片激光器性能研究

【摘要】激光二极管泵浦的被动调Q固体激光器是一种可以获得高效率、短脉冲、高重复频率、高峰值功率脉冲激光输出的全固态激光器,在激光显示、激光医疗、机械加工、激光测距、激光通信、激光点火等领域具有广泛的应用。本文首先介绍了激光二极管泵浦的被动调Q固体激光器的应用背景,并从提高激光器效率和性能出发,介绍了包括掺Yb3+材料被动调Q固体激光器和双掺Cr4+、Yb3+材料自调Q固体激光器的发展概况。然后阐述了实验中选取Yb3+离子掺杂激光材料作为增益介质与Cr4+离子掺杂激光材料作为可饱和吸收体的光学特性和优势；利用被动调Q速率方程建立新的Yb:YAG强化Cr,Yb:YAG自调Q激光器的理论模型,结合实验结果系统地研究了激光材料光学特性参数、泵浦光参数对Yb:YAG强化Cr,Yb:YAG自调Q激光器的激光性能的影响。最后,基于键合Yb:YAG可以增加对泵浦光的吸收效率、提高粒子反转数以达到强化Cr,Yb:YAG自调Q激光性能的构思来进行实验设计,采用了固体微片激光器的形式对Yb:YAG强化Cr,Yb:YAG自调Q激光器性能进行了实验研究。详细地研究了吸收泵浦功率、输出耦合透射率、激光工作材料(激光晶体、激光陶瓷)对Yb:YAG强化Cr,Yb:YAG自调Q激光器的性能影响。用1.5mm厚的Yb:YAG透明激光陶瓷作为强化工作物质,0.5mm厚的Cr,Yb:YAG晶体作为自调Q激光工作物质,采用940nnm光纤耦合的激光二极管作为泵浦源,研究了Yb:YAG陶瓷强化Cr,Yb:YAG自调Q微片激光器的激光性能。当输出耦合镜透过率TOC=30%时,激光器在吸收泵浦功率为7.07W时获得了最高平均输出功率为530mW的自调Q激光输出,相应光-光转换效率是7.5%;此时自调Q激光脉冲的重复频率为25kHz,脉冲宽度为3.75ns,激光单脉冲能量为20.4μJ,峰值功率为5.44kW。用1.2mm厚的Yb.YAG晶体作为增益介质,0.5mm厚的Cr,Yb:YAG晶体作为自调Q激光工作物质,采用940nm高亮度单管激光二极管作泵浦源,实现了Yb:YAG晶体强化Cr,Yb:YAG自调Q微片激光器的高效激光输出。当输出耦合镜透过率ToC=50%时,激光器在吸收泵浦功率为2.5W时获得了0.8W的平均输出功率,光-光转换效率高达32%,激光的单脉冲能量为12.4μJ,脉冲宽度为1.68ns,对应的峰值功率约是7.4kW,重复频率是65kHz。利用被动调Q速率方程建立的理论模型,数值模拟的结果与本实验获得的激光脉冲特性基本符合,这对于理论指导优化实验具有重要意义。在不同输出耦合镜透射率条件下,Yb:YAG晶体强化Cr,Yb:YAG自调Q微片激光器的光学转换效率都高于Yb:YAG陶瓷强化自调Q微片激光器的激光转换效率。Yb:YAG晶体强化微片激光器的最佳输出耦合透射率是ToC=50%,Yb:YAG陶瓷强化微片激光器的是ToC=30%,前者获得的峰值功率、重复频率大于后者,脉冲宽度小于后者。而在相同TOC=30%时,采用Yb:YAG晶体和陶瓷材料作为强化工作物质的Cr,Yb:YAG自调Q激光器斜率效率分别为30%和10%,前者重复频率的增速大约是38.7kHz/W,也高于后者重复频率最大增速12.5kHz/W;Yb;YAG晶体材料激光器相比较于陶瓷材料激光器获得了更窄的脉冲宽度,但脉冲能量和峰值功率略微减小。这主要是由于Yb:YAG晶体取向选择偏振态可控特性与Cr4+:YAG依赖晶体取向的可饱和吸收特性相互结合导致输出激光偏振态强化效应所造成。
【作者】程莹；
【导师】董俊；
【作者基本信息】厦门大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】Cr,Yb:YAG；自调Q微片激光器；激光晶体和陶瓷；

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