激光二极管泵浦的1.5μm固体激光器的理论和实验研究

1、激光二极管泵浦的 1 5 卩山固体激光器的理论和实验研究【摘要】：基于铒离子 4113/2 -4115/2 跃迁辐射的 1.5固体激光器 具有结构紧凑、光束质量好、输出激光波长对应着光纤和大气的低损 耗传输窗口以及对人眼安全等优点，因此该光源在光纤通信、人眼安 全激光测距、激光雷达、遥感探测、激光医学、激光微加工、以及环 境检测等领域均有着广泛的应用。具体到当前科学研究的热点领域 量子通信的研究中，为了制备高质量的、光纤通信波段的纠缠光 源我们也需要一台同时具备高输出功率和低噪声性能的1.5 z 激光器。LD 泵浦的 1.5m固体激光器在实现连续单频运转之后具有优良 的噪声性能，非常适合用于纠

2、缠光源的制备。但是由于缺乏研究特别 成熟的高质量的激光晶体，在近几十年的关于连续和连续单频的1.5 卩山固体激光器的研究工作中，人们普遍采用的激光增益介质是铒 镱共掺的磷酸盐玻璃。由于磷酸盐玻璃的热性质和机械性能比较差,导致可注入到激光器内的泵浦功率被限制在2W 以下。因此，基于铒镱共掺磷酸盐玻璃的 1.5am固体激光器很难实现输出激光功率的进 一步提高，这也使得人们不得不将研究目标转向热性质和机械性能更 好的铒镱共掺的钒酸盐、钨酸盐以及硼酸盐晶体。而在众多的晶体介 质中，由中国的中科院福建物质结构研究所、俄罗斯的莫斯科州立大 学等单位所研制的 Er3+,Yb3+:YAI3(BO3)4(Er,

3、Yb:YAB)晶体显示出了 优越的激光性能，使得瓦级的连续 1.5 am 固体激光器成为了现实。我 们利用中科院福建物质结构研究所研制成功的Er,Yb:YAB 激光晶体,C 易发表用yiT论女第表匸冢同时基于我所在全固态连续单频激光器研究领域的一系列成果，开展了 LD 端面泵浦的高功率 1.5 卩0激光器的研究工作，最终目标是实现瓦级的连续单频 1.5m激光运转并应用于连续变量量子纠缠源的制备。 我们的基本研究方案为：通过合理的腔型设计以及在泵浦光源、制冷系统等方面的优化，以 Er,Yb:YAB 晶体作为增益介质分别得到高功率 的准连续 1.5am激光运转以及高功率高光束质量的连续单横模的 1

4、.5 激光运转； 然后在此基础上通过纵模选择，得到 1.5 卩伯勺连续单 频激光输出。具体研究内容如下：1.对激光晶体的温度分布和热效应 进行了详细分析，并在理论上将晶体温度对反转粒子数密度、受激发 射截面等参数的影响，以及热效应作用下腔模腰斑和热致衍射损耗的 变化，引入铒镱共掺系统的速率方程，对 Er,Yb:YAB 激光器的三能级系 统性质作了详细研究。研究结果表明晶体温度的升高对Er, Yb:YAB激光器的性能有很大的不利影响。通过分别研究不同的控温炉设计、泵浦源占空比、泵浦腰斑，以及晶体厚度等对激光输出特性的影响，我 们提出了几种优化 Er,Yb:YAB 激光器性能的途径，并为我们的实验

5、研 究提供了指导。2.根据理论分析的结果，我们首先对准连续泵浦条件下 的Er,Yb:YAB 激光器进行了实验优化，获得了功率为 2.6W 的准连续 1.5 卩!激光输出。在上述优化过程中，我们通过逐步增大泵浦源的占空 比初步实现了 Er,Yb:YAB 激光器的连续运转。但是由于晶体的热效 应严重，输出激光功率较低。3.为了提高连续 1.5 卩0激光器的输出性能, 我们详细分析了改善晶体热效应的方法，并提出了适用于以薄片晶体 作为激光介质的 LD 端面泵浦激光器的制冷方案一一蓝宝石热沉端面制冷。我们首先利用有限元分析的方法对该方案的制冷效果进行了理 论预期，然后通过刀片法测量两种制冷条件下激光晶

6、体的热焦距进行 实验验证。结果表明该方案可以有效地减弱激光晶体的热透镜效应，降低晶体温度。基于上述工作，我们设计了三镜折叠谐振腔进行对比 实验。根据实验结果，在制冷方案改进之后，激光器的激光转化效率和 光束质量均有明显的提升。在注入泵浦功率 5.35W 时,实现了 680mW 的连续单横模 1.5m激光输出。4.在己得到的连续单横模 1.5am激光 器的基础上，分别利用在腔内插入标准具和单向行波腔的方式进行纵 模选择。通过在腔内插入标准具，我们获得了 430mW 的 1.5 卩0连续单 频激光输出，并实验研究了激光器的运转特性和噪声性能。其中激光 强度噪声在分析频率 4MHz 处即达到散粒噪声

7、极限，相位噪声则在分 析频率 5MHz处达到散粒噪声极限。该噪声指标达到了制备高质量连 续变量量子纠缠源的要求。本论文中的创新性工作包括：1.提出了一个适用于 LD 端面泵浦的 Er,Yb:YAB 激光器的理论模型。计算中考虑 与铒镱共掺磷酸盐玻璃激光器在光谱特性、热性质等方面的区别，在双掺系统模型中引入晶体温度对反转粒子数密度、受激发射截面等参数的影响，以及热效应作用下腔模腰斑和热致衍射损耗的变化，重点分 析了晶体温度和热效应对激光器工作特性的影响，根据计算结果提出了优化 Er,Yb:YAB 激光器性能的途径。 2.设计了蓝宝石热沉端面制冷 激光晶体的控温结构。通过使用该制冷方式，晶体的热效

8、应和晶体温度均大幅减小，并在此基础上制备了一台输出功率为680mW 的连续单横模 1.5激光器。3 利用激光晶体自身的标准具效应，通过在谐振腔内再插入标准具的方式选择单纵模，得到了输出功率为 430mW 的 连续单频 1.5 卩血激光器。该激光器具有紧凑的结构和优良的噪声指标，有助于实现小型化、产品化的 1.5 卩山纠缠源。【关键词】：全固态连续 单频1.5 卩 0 激光器 ErYb:YAB 晶体晶体温度蓝宝石光学热沉端面制冷 低噪声【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：TN248.1【目录】：目录 4-10 中文摘要 10-13ABSTRACT13

9、-16 第一章绪论16-301.11.5 微米激光光源的特点及应用 16-181.21.5 微米激光光源的 实现方法及发展状况 18-211.2.11.5 微米激光光源的实现方法 18-191.2.21.5微米固体激光器的研究现状 19-211.3 连续单频固体激光 器的特点及实现方法 21-261.3.1 连续单频固体激光器的特点及应用 21-221.3.2 全固态连续单频激光器的纵模选择技术22-261.4 全固态连续单频 1.5微米激光器的发展状况 26-281.5本论文的主要工作 28-30 第二章 Er,Yb: YAB 激光晶体的基本性质 30-402.1 高效率 1.5 微米固 体

10、激光器的增益介质选择依据30-332.2Er,Yb: YAB 晶体的性质33-382.2.1 YAB 基质的基本性质 33-342.2.2Er,Yb： YAB 晶体的吸收与C 易发表用yiT论女第表匸家辐射光谱 34-352.2.3Er,Yb: YAB 晶体中掺杂离子的精细能级 35-382.3 本章小结 38-40 第三章 LD 端面泵浦的 1.5 微米固体激光器的理论模 型40-653.1Er,Yb: YAB 激光器的能量过程 40-473.1.1 受激吸收、受 激辐射与自发辐射过程 40-413.1.2 能量转移、反向能量转移过程与多 声子弛豫过程41-443.1.3 二次能量转移过程和

11、激发态吸收过程44-453.1.4 共协上转换过程 45-473.2 考虑晶体热效应以及温度影响的 速率方程模型 47-59321 激光晶体的热负载 47-493 22 激光晶体中的 温度分布 49-51323 晶体温度对反转粒子数密度、受激辐射截面等的 影响51-543.2.4Er,Yb: YAB 晶体的热透镜效应 54-553.2.5 热致衍射损 耗55-563.2.6 速率方程 56-593.3 计算结果与分析 59-633.3.1 晶体温度 对Er,Yb:YAB 激光器输出性能的影响 59-613.3.2 泵浦腰斑对 Er,Yb: YAB 激光器输出性能的影响 61-623.3.3 晶

12、体厚度对 Er,Yb:YAB 激光 器输出性能的影响 62-633.4 本章小结 63-65 第四章准连续 1.5 微米固体激光器 65-734.1 实验装置 65-664.2 实验结果与分析 66-724.2.1Er,Yb:YAB 晶体掺杂离子浓度的选择 66-684.2.2 控温系统 的优化设计68-694.2.3 泵浦源参数的优化 69-714.2.42.6W 准连续1.5 卩 0 激光输出 71-724.3 本章小结 72-73 第五章连续单横模的 1.5 微 米固体激光器 73-875.1 激光晶体的热处理 73-835.1.1 减轻晶体热效应 的措施73-745.1.2光学材料热沉的选择与端面贴合制冷方案 74-795.1.3Er,Yb:YAB 晶体热焦距的实验测量 79-805.1.4Er,Yb: YAB 晶体的热损伤阈值80-835.2 实验装置 83-855.3 实验结果与分析 85-865.4 本章小结 86-87 第六章连续单频 1.5 微米固体激光器 87-976.1内腔标准具实现全固态连续单频1.5 微米激光器 87-936.1.1 实验装置87-886.1.2 激光器的运转特性 8