基于腔内泵浦技术的全固态和频激光器的研究

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LD泵浦的全固态激光器(DPSSL)早已成为激光领域里最重要的研究方向之一,在发展高效率、高功率、高稳定性运转的激光器上被人们寄予厚望。结合了非线性频率变换技术(主要包括非线性倍频与和频)的DPSSL,其输出波段与应用领域均得以极大扩展,有力的促进了激光技术的发展与进步。相对来讲,全固态倍频激光技术的发展更为成熟,但全固态和频激光技术却蕴含极大潜力,是促进DPSSL发展的更为有效的技术手段。本文将全固态和频激光器作为主要研究内容,设计并验证了一种基于腔内泵浦技术的新型和频激光器:以LD端面泵浦Nd:YVO4晶体实现准三能级914nm谱线运转,继而利用914nm激光通过腔内泵浦技术实现Yb:YAG晶体(或第二块Nd:YVO4晶体)的1030nm(或1064nm)谱线振荡,最后利用BIBO晶体腔内和频914nm和1030nm(或1064nm)实现484nm(或491nm)蓝光输出。为减小准三能级激光器的阈值泵浦功率,提高激光器运转稳定性,以914nm谱线跃迁的准三能级速率方程为基础,分别探讨了模式匹配、再吸收损耗、模式竞争等因素对准三能级激光系统的影响,认为泵浦光-腔模半径之比a决定泵浦能量在晶体内部的分布;基于谐振腔内部功率密度高的特性设计了腔内泵浦方式,通过建立数值模型讨论了输出镜反射率、晶体单程透过率以及两基频光模式匹配对腔内泵浦激光器输出功率的影响;研究了非线性和频基本理论,给出了小信号近似解并讨论了和频过程中的最佳聚焦条件。对全固态和频激光器各组成单元进行优化设计:利用Matlab软件模拟给出了Nd:YVO4和Yb:YAG两种激光晶体合适的掺杂浓度与晶体尺寸;给出了BIBO晶体的最佳相位匹配角;给出了三种不同谐振腔结构(直线腔、V型腔和Z型腔)的腔镜曲率半径、腔长度以及腔内晶体位置等腔参数的最佳取值。设计实验方案以验证全固态和频激光器运转理论。在三种不同谐振腔结构下,分别设计LD端面泵浦Nd:YVO4晶体914nm激光器实验方案、腔内泵浦Yb:YAG(或Nd:YVO4)晶体激光器实验方案、全固态腔内和频激光器实验方案。实现了端面泵浦Nd:YVO4晶体914nm谱线基模运转;实现了腔内泵浦Yb:YAG(或Nd:YVO4)晶体1030nm(或1064nm)谱线基模运转;通过BIBO腔内和频实现了484nm(或491nm)蓝光输出。实验结果令人满意,但激光器的转换效率与运转稳定性仍有待提高。
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