LD泵浦被动调Q腔内倍频拉曼黄光激光器理论与实验研究

固体激光器具有效率高、体积小和寿命长的优点。波长在550-600nm范围的激光在生物医学、医疗美容、可视化显示、信息存储、通讯、军事、大气遥感等方面有广泛的应用。但是550-600nm波段的光很难通过直接倍频掺钕材料的激光得到高功率、高效的输出,而利用晶体的受激拉曼散射是近年来获得黄光有效输出的重要手段,并且已经取得了重要的进展。与传统的气体和液体拉曼介质相比,固体拉曼介质具有粒子浓度大、体积小、拉曼增益系数大及热导性能好等优点。以晶体作为拉曼介质的固体拉曼激光器结构紧凑、效率高、稳定性好,在信息、交通、测量、医疗、国防和工农业等领域都有重要的应用。近阶段,利用腔内倍频拉曼激光器产生黄光激光已经成为黄光激光领域的研究热点。 调Q能够获得高效、高峰值功率的脉冲输出,被动调Q是用饱和吸收体作为调Q开关,同主动调Q 相比,有结构简单、紧凑、成本低等优点,可以在很短的腔内实现频率转换,并且能够产生窄脉宽、高峰值功率的脉冲激光。虽然如此,到目前为止有关被动调 Q 黄光拉曼激光器的实验性报道甚少。 描述被动调 Q 腔内倍频拉曼激光器的理论工具是速率方程,本论文在速率方程中,考虑了泵浦光和腔内光束的横向分布及光束尺寸在轴向的变化,对被动调 Q 腔内倍频拉曼黄光激光器归一化的速率方程进行了理论分析和数值计算,分析了几个综合参量对倍频光输出特性的影响。数值求解得到一些曲线,通过这些曲线可以很清楚的了解归一化的倍频脉冲参量与几个综合参量之间的关系,对实验的设计和优化具有一定的指导作用。 自拉曼激光器能够缩短腔长,有腔结构紧凑的特点,激光介质较小的受激发射截面有利于得到良好的被动调 Q 脉冲输出。高效、输出稳定的基频光和拉曼光是黄光有效输出的前提条件,论文中对LD泵浦的Cr4+：YAG被动调Q c-cut Nd：YVO4自拉曼激光器进行了实验研究,包括对基频光和拉曼光的研究。研究了输入镜的曲率 M1 和输出镜对基频光的反射率Rf对基频光输出特性的影响,以及饱和吸收体的初始透过率T0和输出镜对拉曼光的反射率Rs对拉曼光输出特性的影响。测量了拉曼光的平均输出功率、脉冲重复率和脉冲宽度随着泵浦功率的变化。在泵浦功率为4.8 W时,拉曼光的最高平均功率为370 mW,相应光光转换效率为7.7%,这也是目前为止D泵浦的Cr4+：YAG被动调Q c-cut Nd：YVO4自拉曼激光器的最高平均输出功率和转化效率。实验中得到了亚纳秒级的拉曼光输出,最高单脉冲能量为54μJ、最高峰值功率为47 kW。 本论文介绍了双轴晶体倍频的相位匹配方式,分析并比较了倍频晶体KTP和LBO的特性,计算了倍频时KTP的相位匹配角和LBO满足的相位匹配温度。 以LBO为倍频晶体,对LD泵浦的被动调Q腔内倍频拉曼黄光激光器实验进行了研究。实验装置采用三镜直腔的结构,包括三种不同的实验方案：1)单独以c-cut 的Nd：YVO4为自拉曼介质,2)c-cut 的Nd：YVO4为激光介质和拉曼介质,a-cut 的键合晶体YVO4/Nd：YVO4也作为拉曼介质,3)以a-cut 的键合晶体YVO4/Nd：YVO4为自拉曼介质,前两中方案有效的获得了黄光输出。在方案1)中,泵浦功率为4.43W时,得到黄光的平均输出功率为117mW,从LD到黄光的转换效率为2.64%。在方案2)中,在泵浦功率为4.03W时观察到耀眼的黄光光斑输出,用示波器测得单个脉冲的宽度为 6.7ns,能够得到窄脉冲的黄光输出。此外,对实验中影响黄光输出的因素进行了分析,如增大拉曼增益小、缩短腔长、以及减小激光介质的受激发射截面等都有利于被动调Q黄光脉冲的获得。