近紅外雙波長(zhǎng)全固態(tài)激光特性研究.pdf

1、單色性是激光的基本特點(diǎn)之一。一臺(tái)激光器通常情況下只輸出單一波長(zhǎng)（頻率）的激光，抑制其他波長(zhǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，在激光的許多重要應(yīng)用中，例如檢測(cè)、激光顯示、醫(yī)療、差分吸收激光雷達(dá)、精細(xì)激光光譜、非線性頻率變換和科研等方面需要一臺(tái)激光器能夠同時(shí)輸出兩個(gè)或者多個(gè)波長(zhǎng)的激光。氣體激光器能級(jí)較多，非均勻加寬效應(yīng)明顯，比較容易獲得多波長(zhǎng)激光輸出;全固態(tài)的雙（多）波長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，覆蓋的波段很貼近實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，全固態(tài)雙（多）波長(zhǎng)激光器成為國(guó)際

2、上一個(gè)較為熱門的研究課題。
　　 獲得雙波長(zhǎng)激光輸出主要有以下兩種方法:第一是非線性頻率變換（如倍頻，和頻，差頻，拉曼頻移等），但是這種方法多數(shù)情況下需要考慮比較嚴(yán)格的位相匹配，結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)都相對(duì)復(fù)雜;第二種是基于激活離子的能級(jí)分裂，這種方法需要選擇同一類激活粒子不同能級(jí)對(duì)之間的躍遷，或者是同一能級(jí)對(duì)內(nèi)不同斯塔克分量之間的躍遷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍廣，但是設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。對(duì)應(yīng)于第二種實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光器的方法，目前用于雙波長(zhǎng)激光研究的Nd

3、摻雜晶體主要是Nd∶YAG和Nd∶YVO4，所實(shí)現(xiàn)的雙波長(zhǎng)輸出絕大多數(shù)為1.06μm+1.3μm、1.06μm+0.9μm、1.32μm+1.34μm中的一種，屬于4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F/2→4I13/2三種躍遷之間的組合，或者是4F3/2→4I13/2內(nèi)不同分量之間的組合。
　　 Nd3+是較早用于激光應(yīng)用中的三價(jià)稀土離子，也是到目前為止應(yīng)用最為廣泛的激活離子。釹離子屬于四能級(jí)系統(tǒng)，在不同基質(zhì)中

4、，這類離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)與自由狀態(tài)下的離子能級(jí)結(jié)構(gòu)大體上相似，精細(xì)結(jié)構(gòu)根據(jù)基質(zhì)材料的不同而不同。晶體場(chǎng)的效果在正常條件下被認(rèn)為是對(duì)自由離子能級(jí)的擾動(dòng)，與自旋軌道和4f電子中的靜電相互作用相比，這種擾動(dòng)很小。能級(jí)的主要變化是晶體場(chǎng)斯塔克效應(yīng)在很多距離很近的能級(jí)中引起每個(gè)自由離子能級(jí)（即多重態(tài)）的分裂。由于軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量的不同組合，產(chǎn)生了不同的能級(jí)。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)木w和合適的諧振腔設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)Nd離子不同能級(jí)之間（或者相同子能級(jí)的不同

5、分量之間）受激輻射放大的同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，即雙波長(zhǎng)，甚至是多波長(zhǎng)激光輸出。
　　 本論文的研究重點(diǎn)是Nd離子摻雜激光增益介質(zhì)的雙（多）波長(zhǎng)激光物理現(xiàn)象，包括激光晶體和陶瓷，涉及各向同性介質(zhì)和高級(jí)、中級(jí)以及低級(jí)對(duì)稱性晶體，側(cè)重于1μm附近波段的單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)激光輸出，討論了各類激光潛在的重要應(yīng)用價(jià)值。論文中涉及到的激光增益介質(zhì)主要有各向同性介質(zhì)Nd∶YAG陶瓷和高級(jí)晶族中立方晶系的Nd∶YAG晶體、Nd∶GGG晶體;中級(jí)晶族中四方晶系的N

6、d∶GdVO4晶體、Nd∶YVO4晶體、Nd∶LiGd(MoO4)2晶體;低級(jí)晶族中單斜晶系的Nd∶LYSO晶體。其內(nèi)容總結(jié)如下:
　　 1.針對(duì)血液檢測(cè)對(duì)雙波長(zhǎng)全固態(tài)激光的重要需求，提出了1074 nm和1112 nm雙波長(zhǎng)激光的設(shè)計(jì)方案，首次實(shí)現(xiàn)了Nd∶YAG晶體的1074 nm和1112 nm雙波長(zhǎng)（同屬4F/2→4I11/2躍遷）激光同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得了3.2 W的輸出功率，其中包含2.2 W的1074 nm激光和1W的11

7、12 nm激光，總的光光轉(zhuǎn)換效率為23.6％。討論了其在血液檢測(cè)特別是一氧化碳中毒診斷中的重要應(yīng)用前景。
　　 2.針對(duì)激光顯示用結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低多波長(zhǎng)激光的研究現(xiàn)狀，結(jié)合陶瓷具有高摻雜、高增益的特點(diǎn)，提出直接輸出Nd∶YAG陶瓷多波長(zhǎng)激光的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了免鍍膜激光的有效輸出，獲得了1064 nm、1319 nm、1338 nm的三波長(zhǎng)激光輸出。最大輸出功率為3.2W，其中1.06μm和1.3μm的功率分別為2.2W

8、和1W，總光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30％，提出了該激光通過(guò)非線性光學(xué)過(guò)程直接實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三基色的設(shè)計(jì)方案。
　　 3.對(duì)立方相Nd∶GGG晶體非常見(jiàn)1.11μm附近波段激光特性進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了1106 nm和1110 nm激光的同時(shí)輸出，探討了其發(fā)射機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)其通過(guò)非線性光學(xué)實(shí)現(xiàn)太赫茲波段激光和人眼敏感555 nm激光進(jìn)行了討論，其中該雙波長(zhǎng)的差頻可以產(chǎn)生1.17 THz的相干輻射，通過(guò)和頻或者倍頻，可以獲得人眼黃斑最敏感

9、的555 nm左右黃綠光。
　　 4.對(duì)四方相Nd∶GdVO4和Nd∶YVO4晶體的1083 nm附近激光進(jìn)行了研究，針對(duì)氦磁力計(jì)和美容的重要需求，實(shí)現(xiàn)了其單波長(zhǎng)及其與1063 nm雙波長(zhǎng)連續(xù)及脈沖激光輸出，理論分析了其雙波長(zhǎng)產(chǎn)生機(jī)理，并從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)了國(guó)際最高1083 nm單波長(zhǎng)10.1W的激光，實(shí)現(xiàn)了111μJ、77 ns和1.44kW的脈沖激光;采用適合1083 nm和1063 nm雙波長(zhǎng)激光輸出的輸出耦合，在入

10、射泵浦功率16.1 W時(shí)，1083 nm和1063 nm這兩部分的輸出功率都達(dá)到了2W以上。討論了該激光在氦磁力計(jì)和治療毛細(xì)血管擴(kuò)張等美容領(lǐng)域的重要應(yīng)用。
　　 5.對(duì)四方相新晶體Nd∶LiGd(MoO4)2激光性能的各向異性進(jìn)行了表征;計(jì)算了1061 nm和1068 nm這兩個(gè)波長(zhǎng)在主軸方向的受激發(fā)射截面，給出了這兩個(gè)波長(zhǎng)的受激發(fā)射截面的空間分布，研究了不同切向Nd∶LiGd(MoO4)2晶體激光輸出的各向異性，找到了雙波長(zhǎng)比