论文部分内容阅读
单色性是激光的基本特点之一。一台激光器通常情况下只输出单一波长(频率)的激光,抑制其他波长的运转。但是,在激光的许多重要应用中,例如检测、激光显示、医疗、差分吸收激光雷达、精细激光光谱、非线性频率变换和科研等方面需要一台激光器能够同时输出两个或者多个波长的激光。气体激光器能级较多,非均匀加宽效应明显,比较容易获得多波长激光输出；全固态的双(多)波长激光器结构紧凑,体积小,覆盖的波段很贴近实际应用。近年来,全固态双(多)波长激光器成为国际上一个较为热门的研究课题。获得双波长激光输出主要有以下两种方法：第一是非线性频率变换(如倍频,和频,差频,拉曼频移等),但是这种方法多数情况下需要考虑比较严格的位相匹配,结构和设计都相对复杂；第二种是基于激活离子的能级分裂,这种方法需要选择同一类激活粒子不同能级对之间的跃迁,或者是同一能级对内不同斯塔克分量之间的跃迁,结构简单,应用范围广,但是设计相对复杂。对应于第二种实现双波长激光器的方法,目前用于双波长激光研究的Nd掺杂晶体主要是Nd:YAG和Nd:YVO4,所实现的双波长输出绝大多数为1.06μm+1.3μm、1.06μm+0.9μm、1.32μm+1.34μm中的一种,属于4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/12、4F3/2→4I13/2三种跃迁之间的组合,.或者是4F3/2→4I13/2内不同分量之间的组合。Nd3+是较早用于激光应用中的三价稀土离子,也是到目前为止应用最为广泛的激活离子。钕离子属于四能级系统,在不同基质中,这类离子的能级结构与自由状态下的离子能级结构大体上相似,精细结构根据基质材料的不同而不同。晶体场的效果在正常条件下被认为是对自由离子能级的扰动,与自旋轨道和4f电子中的静电相互作用相比,这种扰动很小。能级的主要变化是晶体场斯塔克效应在很多距离很近的能级中引起每个自由离子能级(即多重态)的分裂。由于轨道角动量与自旋角动量的不同组合,产生了不同的能级。通过选择适当的晶体和合适的谐振腔设计,可以实现Nd离子不同能级之间(或者相同子能级的不同分量之间)受激辐射放大的同时运转,即双波长,甚至是多波长激光输出。本论文的研究重点是Nd离子掺杂激光增益介质的双(多)波长激光物理现象,包括激光晶体和陶瓷,涉及各向同性介质和高级、中级以及低级对称性晶体,侧重于1μm附近波段的单波长和多波长激光输出,讨论了各类激光潜在的重要应用价值。论文中涉及到的激光增益介质主要有各向同性介质Nd：YAG陶瓷和高级晶族中立方晶系的Nd:YAG晶体、Nd:GGG晶体；中级晶族中四方晶系的Nd:GdVO4晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:LiGd(MoO4)2晶体；低级晶族中单斜晶系的Nd：LYSO晶体。其内容总结如下：1.针对血液检测对双波长全固态激光的重要需求,提出了1074nm和1112nm双波长激光的设计方案,首次实现了Nd:YAG晶体的1074nm和1112nm双波长(同属4F3/2→4I11/2跃迁)激光同时运转,获得了3.2W的输出功率,其中包含2.2W的1074nm激光和1W的1112nm激光,总的光光转换效率为23.6%。论论了其在血液检测特别是一氧化碳中毒诊断中的重要应用前景。2.针对激光显示用结构紧凑、设计简单、成本低多波长激光的研究现状,结合陶瓷具有高掺杂、高增益的特点,提出直接输出Nd:YAG陶瓷多波长激光的设计思路,实现了免镀膜激光的有效输出,获得了1064nm、1319nm、1338nm的三波长激光输出。最大输出功率为3.2W,其中1.06μm和1.3μm的功率分别为2.2W和1W,总光光转换效率达到30%,提出了该激光通过非线性光学过程直接实现红、绿、蓝三基色的设计方案。3.对立方相Nd:GGG晶体非常见1.11μm附近波段激光特性进行了研究,实现了1106nm和1110nm激光的同时输出,探讨了其发射机理和动力学过程,对其通过非线性光学实现太赫兹波段激光和人眼敏感555nm激光进行了讨论,其中该双波长的差频可以产生1.17THz的相干辐射,通过和频或者倍频,可以获得人眼黄斑最敏感的555nm左右黄绿光。4.对四方相Nd:GdVO4和Nd:YVO4晶体的1083nm附近激光进行了研究,针对氦磁力计和美容的重要需求,实现了其单波长及其与1063nm双波长连续及脉冲激光输出,理论分析了其双波长产生机理,并从实验上进行了优化。实现了国际最高1083nm单波长10.1W的激光,实现了111μJ、77ns和1.44kW的脉冲激光；采用适合1083nm和1063nm双波长激光输出的输出耦合,在入射泵浦功率16.1W时,1083nm和1063nm这两部分的输出功率都达到了2W以上。讨论了该激光在氦磁力计和治疗毛细血管扩张等美容领域的重要应用。5.对四方相新晶体Nd:LiGd(MoO4)2激光性能的各向异性进行了表征；计算了1061nm和1068nm这两个波长在主轴方向的受激发射截面,给出了这两个波长的受激发射截面的空间分布,研究了不同切向Nd:LiGd(MoO4)2晶体激光输出的各向异性,找到了双波长比例相近时的切割角度,提出了采用晶体各向异性来控制波长发射的新思路。6.对低对称性的单斜晶体Nd:LYSO的双波长激光特性进行了研究,实现了1075nm和1079nm双波长激光,探讨了其产生机理,获得了702mW的最大激光功率,对应的光光转换效率和斜效率分别是27.7%和37%,为基于低对称性晶体多波长激光的获得提供了参考。