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随着激光二极管(LD)和光纤激光器的迅猛发展,低浓度掺Ho3+谐振泵浦激光晶体引起人们的极大关注。Ho3+激光器的输出波长在2μm附近,处于大气窗口,为遥感探测以及光电对抗提供了有利的工具,同时也是相干多普勒测风雷达、差分吸收雷达和激光测距机等系统的理想光源。YAP晶体具有优异的热力学性能,热导率与常见的YAG晶体接近,能抑制激光运转过程产生的热致双折射和热透镜效应,并能输出线偏振激光。LSO晶体因其独特的低对称性单斜晶体结构,Lu3+扭曲的低对称双格位特性,为掺杂离子提供较强的晶体场,有利于掺杂离子产生大的Stark能级分裂。
本论文重点选择Ho:YAP和Ho:LSO谐振泵浦激光晶体为研究对象,系统开展了晶体生长、热学性能、光谱性能以及激光性能的研究工作,取得了一些创新性的成果,主要内容如下:
1.采用提拉法生长了具有较高光学质量的不同浓度的Ho:YAP激光晶体,研究了Ho:YAP晶体的结构、Ho3+分凝系数、微观缺陷、热学、光谱及激光性能。结果表明,Ho:YAP晶体具有较大的热膨胀各向异性和较高的热导率,其a向热导率高于Ho:YAG晶体(111)方向的热导率。研究了Ho3+浓度、不同气氛退火、偏振态对Ho:YAP晶体的光谱性能的影响。Ho:YAP晶体呈现多谱带吸收特性,位于1917nm(E//c)主吸收峰的对应的吸收带宽为9.6nm,吸收截面为0.74×10-20cm2,在2117nm(E//c)的发射截面为0.83×10-20cm2,荧光寿命为8.1ms。采用1.91μm的Tm:YLF泵浦1%Ho:YAP晶体,在2118nm获得最大功率为5.5W的连续激光输出;在重复频率为10kHz时,获得最大功率为5.29W的调O激光输出,脉宽为27ns。
2.生长了不同浓度的Tm,Ho:YAP晶体,研究了Tm3十浓度对Tm,Ho:YAP晶体吸收光谱的影响。采用795nm的LD泵浦5%Tm,0.3%Ho:YAP晶体,在液氮冷却条件下,在2.13μm获得了5W的连续激光输出,斜率效率为29%;在重复频率为1kHz时,获得了最大脉冲能量为3.3mJ的调Q激光输出,脉宽为40ns。
3.采用提拉法成功生长了Φ30×60mm3的1%Ho:LSO激光晶体,研究了Ho:LSO晶体的晶格参数、Ho3+分凝系数、光谱及激光性能。Ho:LSO晶体在1.91μm(E//D2)的吸收带宽达20.9nm,吸收截面为0.41×10-20cm2;Ho:LSO晶体呈现一个1.93～2.11μm的宽发射带,在2.09μm(E//D3)的发射截面为0.87×10-20cm2,有利于实现2pm波段宽调谐激光的输出。采用1.91μm的Tm:YLF泵浦Ho:LSO晶体,泵浦功率为12W时,在2106nm获得2.8W的最大连续激光输出,斜率效率为35%,阈值功率为4W。
4.研究了6%Tm,0.4%Ho:LSO晶体的光谱性能,发现其在791nm(E//D3)的吸收截面为5.8×10-21cm2,荧光寿命为3ms。采用791nm的LD泵浦6%Tm,0.4%Ho:LSO晶体,在液氮冷却条件下,在输出镜透过率为9%时获得3.0W的最大激光输出,斜率效率为27%。