论文部分内容阅读
波长在1.4-2.1 μm波段的激光该具有较高的水吸收系数,当该波段激光辐射人眼时,对人眼的损伤阈值较高,因而该波段激光具有人眼安全特性。人眼安全波段激光在激光雷达、激光测距、激光医学、光通讯和泵浦源等领域具有重要的应用。直接泵浦不同离子掺杂的激光介质而获得人眼安全激光器是目前为止最为简洁的方法,如泵浦掺Er激光增益介质可以获得1.5-1.6 μm波段的人眼安全激光输出,同样1.9-2.1 μm人眼安全激光可以通过泵浦掺Ho和Tm的激光增益介质得到。另外泵浦掺Nd激光增益介质可以得到1.4μm波段人眼安全激光器,前两者目前已经得到广泛的研究,但是由于受激发射截面小及离子效率较差等原因,泵浦掺Nd激光增益介质而获得1.4 μm波段人眼安全激光仅有少量的报道。由于固体激光器依靠晶体掺杂离子的能级跃迁而产生受激辐射,输出激光波长受能级跃迁的限制,因此为满足人们对新频率激光的不断需求,非线性频率变换技术成了获得新波段激光的有效手段。受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)是一种在现有频率基础上拓展新频率成分激光的的重要方法。新激光的频率取决于泵浦光的频率和由拉曼介质决定的拉曼频移,因此通过合理的组合泵浦光波长和拉曼介质频移,可获得从紫外到近红外的拉曼散射。同时,固体拉曼激光具有体积小、效率高、稳定性好等优点。而受到广泛的关注。有时为了满足很多领域对特定激光波段的要求,单一的非线性效应很难满足要求,此时多种非线性效应共同作用而产生新的频率成分成为一种选择。超连续光谱是多种非线性效应如自相位调制(Self phase modulation, SPM)、交叉相位调制(Cross phase modulation, XPM)、四波混频(Four wave mixing, FWM)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)等共同作用下而产生包含多种频率成分的激光。其具有光谱覆盖范围广,输出功率高、空间相干性强等特性。是目前为止获取新频率激光最为有效的手段之一。本论文中,我们主要研究了三个方面的内容：一是LD泵浦不同基质的掺Nd激光增益介质,获得1.4 μm人眼安全激光研究；二是以1.4 μm人眼安全激光为基频光,使用不同的拉曼介质,获得新波段的人眼安全拉曼激光输出；三是利用皮秒激光泵浦不同种类的光子晶体光纤产生超连续谱的研究。具体的研究内容如下：1.研究了端面泵浦Nd:YAG陶瓷1442.8 nm人眼安全激光输出特性。泵浦功率为20.3 W时,最大输出功率为3.96 W,对应的光光转换效率为19.1%。2.研究了端面泵浦Nd:GGG 1423.4 nm人眼安全激光输出特性。最大输出功率达到3.63 W,光光转换效率和斜效率分别是19.6%和26%。3. 以Nd:KLu(WO4)2做为激光增益介质,首次实现了1425 nm人眼安全的激光输出,最大输出功率达到1.57 W,此时泵浦功率为9.6 W,对应的光光转换效率为16.4%。4.研究了不同调Q开关条件下,Nd:YAG陶瓷1.4 μm被动调Q激光器的输出特性。利用V3+:YAG作被动调Q开关,实现了平均功率高达1.53 W的1.4 μm激光输出,这是目前为止最大1.4 μm调Q激光输出功率；利用Co:LMA做被动调Q开关,输出激光的单脉冲能量为53μJ；用石墨烯做可饱和吸收体时,实现了脉冲宽度为610 ns的激光输出。5.研究了以BaWO4做拉曼介质,内腔式1.6 μm人眼安全拉曼激光器的激光输出特性。泵浦功率为20.3 W、脉冲重复率为5 kHz时,获得1666 nm人眼安全拉曼激光的最大平均输出功率为1.21 W,对应的从808 nm泵浦光到1666nm拉曼光的光光转换效率为6%。其中1.21 W是目前为止主动调Q内腔1.6μm人眼安全激光器的最大输出功率。6.研究了以YVO4做拉曼介质,内腔式1.6 gm人眼安全拉曼激光器的激光输出特性。泵浦功率为19.6 W、脉冲重复率为20 kHz时,获得1656.4 nm人眼安全拉曼激光的最大平均输出功率为651 mW,对应的光光转换效率为3.3%。7.研究了以SrWO4做拉曼介质时,1664 nm拉曼激光器的输出特性。当泵浦功率为27.7 W、脉冲重复频率为25 kHz时,获得的最大平均功率为1.16 W,对应的光光转换效率为4.2%。最大单脉冲能量和峰值功率分别是46.6μJ和9.3 kW。其中9.3 kW的峰值功率是主动调Q内腔1.6 μm人眼安全激光器的最大峰值功率。8.研究了1501 nm和1526 nm双波长人眼安全激光器的输出特性。以SrW04做拉曼介质,在泵浦功率33.3 W、脉冲重复频率为30 kHz时,得到了3.36 W的拉曼激光输出,光光转换效率达到10%,其中3.36 W是1.5微米人眼安全激光器的最大输出功率。9.开展了皮秒脉冲激光器泵浦单零色散点光子晶体光纤产生超连续谱的研究。在泵浦功率为12 W时,获得了2.8 W的超连续谱输出,光谱带宽为1250 nm(750-2000 nm),超连续谱的光谱功率密度为2.24mW/nm。10.开展了皮秒脉冲激光器泵浦双零色散点光子晶体光纤产生超连续谱的研究。在泵浦功率为10 W时,输出超连续谱功率为1.09 W,对应的光光转换效率为10.9%。光谱覆盖范围为750-1600 nm,长波范围(1350-1550 nm)的平坦度为12 dB。11.开展了皮秒脉冲激光器泵浦级联光子晶体光纤产生超连续光谱研究。光谱覆盖范围为900-1700 nm(带宽800 nm),长波长方向在1070-1600 nm光谱平坦度为3 dB。光谱平坦度6 dB的光谱覆盖范围是(960-1650 nm,带宽690 nm)。这是目前为止最平坦的超连续谱输出。本论文的主要创新点如下：1.首次利用Nd:YAG陶瓷介质实现了1442.8 nm人眼安全激光输出,最大输出功率为3.96 W,对应的光光转换效率为19.1%。2.首次利用Nd:GGG晶体实现了1423.4 nm人眼安全激光输出,最大输出功率为3.63 W,对应的光光转换效率为19.6%,这是目前为止1.4微米人眼安全激光器的最大转换效率。3.首次在Nd:KLu(WO4)2中获得了1425 nm人眼安全激光输出。最大输出功率达到1.57 W,此时泵浦功率为9.6 W,对应的光光转换效率为16.4%。4.首次用石墨烯做饱和吸收体,研究了石墨烯调Q的1.4微米人眼安全激光器的输出特性,获得脉冲宽度为610 ns的激光脉冲。5.首次实现了内腔泵浦的BaWO4人眼安全1666 nm拉曼激光运转。最大平均输出功率为1.21 W,对应的光光转换效率为6%。其中1.21 W是目前为止主动调Q内腔1.6 gm人眼安全激光器的最大输出功率,6%是最大的光光转换效率。6.首次实现了内腔泵浦的YV04人眼安全1657 nm拉曼激光运转,泵浦功率为19.6 W、脉冲重复率为20 kHz时,获得1656.4 nm人眼安全拉曼激光的最大平均输出功率为651 mW,对应的光光转换效率为3.3%。7.首次实现了内腔泵浦的SrWO4人眼安全1664 nm拉曼激光运转,获得最大单脉冲能量和峰值功率分别是46.6μJ和9.3 kW。其中9.3 kW的峰值功率是主动调Q内腔1.6 μm人眼安全激光器的最大峰值功率。8. 首次将光子晶体光纤级联技术用于获得超平坦超连续谱研究。泵浦功率为10W时,获得了光谱平坦度为3 dB、光谱范围为1070-1600 nm的超连续谱。这是目前为止最平坦的超连续谱。