【摘 要】
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可见光（390-780 nm）波段激光器广泛应用于全息技术、激光彩色显示、天文、医疗等领域。近年来多采用倍频或和频晶体的非线性方法以获得可见光输出,但该方法需要经过一次或多次非线性转换过程,导致增益介质产生废热,限制了激光的输出功率和转换效率。而444 nm蓝光激光器泵浦掺Pr3+离子的激光晶体能够直接获得不同波段的可见光激光输出,可以明显地提高激光的转换效率,相比于传统方式,该方法更加简便有效。
【基金项目】
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国家自然科学基金（61905065）；
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可见光（390-780 nm）波段激光器广泛应用于全息技术、激光彩色显示、天文、医疗等领域。近年来多采用倍频或和频晶体的非线性方法以获得可见光输出,但该方法需要经过一次或多次非线性转换过程,导致增益介质产生废热,限制了激光的输出功率和转换效率。而444 nm蓝光激光器泵浦掺Pr3+离子的激光晶体能够直接获得不同波段的可见光激光输出,可以明显地提高激光的转换效率,相比于传统方式,该方法更加简便有效。因此本文对基于Pr:YLF晶体的604 nm激光器进行以下研究:1.对蓝光泵浦掺Pr3+晶体的可见光固体激光器进行文献调研,并从连续和脉冲两类全固态激光器进行论述。2.测量了Pr:YLF晶体的受激吸收和发射光谱,并给出Pr:YLF的物理参数以及激光特性等。基于LD端面泵浦Pr:YLF晶体建立热效应理论模型,采用积分变换法模拟了泵浦束腰大小、束腰位置、泵浦功率、Pr3+掺杂浓度以及泵浦光偏振分量等因素对Pr:YLF晶体的热效应影响。进而分析了泵浦光高斯分布的指数因子N、泵浦功率、束腰以及晶体长度对Pr:YLF热透镜效应的影响。最后采用有限元分析法模拟了20 W泵浦功率下的Pr:YLF晶体的温度梯度、热负载、热应力分布,并对比了这两种方法的Pr:YLF晶体的热效应的分布特性,其模拟结果趋势基本保持一致。3.对基于Pr:YLF晶体的激光系统的结构设计和604 nm输出性能进行仿真分析。首先使用Rezonator设计了泵浦光的耦合系统,通过分析不同焦距的透镜对泵浦光准直和聚焦的效果,从而确定聚焦透镜的焦距。其次,确定了激光器的谐振腔腔型,在此腔型的基础上,分析输出镜曲率半径对腔内光斑大小的影响,并模拟了输出镜曲率半径、腔长以及晶体长度对谐振腔稳定性的影响。最后,使用LASCAD软件对604 nm激光输出特性进行仿真,基于Pr:YLF晶体的光学参数,当蓝光泵浦功率为20 W时,模拟了输出镜反射率、泵浦束腰对604 nm输出特性的影响。4.对基于Pr:YLF晶体的高能量脉冲604 nm激光器进行实验研究。采用重复频率为10 Hz,脉宽为8 ns的444 nm蓝光激光器泵浦Pr:YLF晶体,分析了不同规格的晶体（0.5 at.%-10 mm和0.7 at.%-6 mm）以及不同输出镜透过率（=2%、=10%）对604 nm输出性能的影响。最终在注入泵浦能量为4.5 m J时,获得最大单脉冲能量为63μJ的604 nm激光输出,对应的脉宽为30 ns,重频为10 Hz。
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