沈建平[1]2014年在《全固态高性能振荡级激光器的研究》文中指出随着激光技术的飞速发展,全固态高性能振荡级激光器为机载观瞄系统、激光雷达系统以及激光预警、探测系统等应用技术领域提供关键性光源。其中由于传统全固态电光调Q激光器无法保证激光器在恶劣环境中运转,采用波罗棱镜腔有效消除对准失调,降低激光功率密度,补偿热致双折射以及调谐耦合输出率。为获得百瓦级高光束质量的激光输出,采用双棒串接腔技术,实现100W-QCW-1064nm高光束质量激光器输出。进一步采用主振荡+功率放大(MOPA)技术实现200W高光束质量的激光输出。由于高新技术产业、科学研究的前沿领域对紫外、中远红外全固态激光器的广泛需求,紫外、中远红外非线性光学晶体及与其相关的紫外、中远红外全固态激光器成为国内外材料及激光高技术领域研究的前沿与热点。全固态高功率Nd:YLF激光器因其特有的激光波长和激光特性成为可见光、紫外光/深紫外光和中远红外光等激光系统的关键性基频光源。由于全固态高性能振荡级激光器在众多领域中的重要实际应用价值而成为研究热点。本文的研究工作主要集中在全固态高功率电光调Q激光器、100W/200W高光束质量激Nd:YAG棒状光器以及激光放大系统、全固态高功率Nd:YLF/LBO激光器等理论和实验研究。本文的主要内容可以归纳如下：1、从Nd:YAG激光晶体特性、泵浦结构设计、泵浦光场分布特性、晶体的温度分布、热效应形成机制分析、测量、消除等方面对激光增益介质的热效应进行深入研究。在实际的研究工作中对激光增益介质的热管理进行有效掌控,从而实现全固态激光系统高性能运行。2、从理论上研究各种参量对调Q激光的影响,采用传统平—平腔型实验方案,实现高能量电光调Q激光输出。为解决实验过程中激光棒的端面容易出现坏点以及输出光束质量畸变等问题,优化设计运用正交波罗棱镜腔补偿热致双折射以及消除对准失调问题。利用琼斯矩阵分析Z型正交波罗棱镜腔运转特性,对比几种市售的波罗棱镜,分析波片方位角与偏振透过率、反射臂的有效反射率、输出臂的耦合反射率以及补偿波罗棱镜相位延迟的波片数关系。搭建零相移正交棱镜腔和采用非正常波片波罗棱镜腔实验系统,进一步验证优化设计出Z型波罗棱镜腔激光器中的关键参数。3、从理论上对双棒串接双凸腔模式运行特性进行研究,通过数值模拟计算不同补偿条件下双棒串接双凸腔中光束质量、棒中模体积、模形状与棒温差和双棒间距离的关系。进一步优化设计实验方案,实现高功率、高光束质量激光输出：理论分析和数值计算棒内TEM00光束尺寸以及双棒串接双凸腔稳区运行特性；理论分析和数值计算双棒谐振腔中光学元件未对准灵敏度特性。相关计算结果可为后续双凸双棒串接腔以及双棒串接四镜环行腔实验提供详细的理论指导。4、设计双凸直腔和L型腔结构,采用双棒串接技术,利用热近非稳腔选模特性,实现100W-QCW-1064nm (M2<1.5,峰值功率1250W)高光束质量非偏振和偏振激光输出。进一步采用MOPA技术,实现200W-QCW-1064nm (M2<1.5,峰值功率2500W)高光束质量激光输出。在200W-QCW-1064nm高光束质量激光器实验研究基础之上,进行整体激光系统工程化研究。对其整体放大激光系统的光斑抖动特性进行研究,满足工程化研究应用要求。并依据测试的结果,对整体激光系统下一步工程化研究工作打下良好的基础。5、通过对Nd:YLF晶体以及Nd:YLF激光头各项性能研究。运用倍频理论,理论分析和计算LBO晶体的相位匹配特性、有效非线性系数、临界及非临界相位匹配参量。讨论环行腔运行特性,为后续环行腔结构设计提供理论指导。采用双棒串接c轴垂直放置、中间加旋光晶体等措施补偿热透镜效应的各向异性。通过在晶体及腔镜镀1微米波长减反膜的方式抑制1微米激光振荡。双棒串接短腔实现高功率28W-QCW-1321nm高功率、高光束质量激光输出。据我们所知,此结果在全固态双棒状串接准连续1321nm Nd:YLF激光器中,其输出功率达到先进水平。在短腔实验的基础上,设计四镜环形腔结构,实现18W-QCW-1321nm基频激光输出。进一步采用非线性频率变化技术实现6W-QCW-660nm倍频激光输出。理论分析330nm紫外激光输出特性。
张健[2]2001年在《双折射光学晶体YVO_4生长过程中的数值模拟研究》文中进行了进一步梳理本文对丘克拉斯基(Czochralski CZ)法生长YVO_4晶体的工艺特点进行了评述，根据有限差分的方法，用VC++语言编写了场量计算程序，对YVO_4双折射光学晶体生长过程中的温度场和速度场进行了数值模拟。数值模拟的结果表明，在CZ法生长YVO_4单晶过程中，由于熔体中存在着因温度梯度引起的自然对流和晶体旋转引起的强迫对流，使生长大尺寸单晶有着一定的困难。本文通过数值模拟的方法模拟出了当晶体转速变化时的温度场和速度场的变化过程曲线，对生长大尺寸YVO_4单晶有重要的参考意义。
王子健[3]2016年在《1064nm主振荡功率放大泵浦PPMgLN中红外光学参量振荡器研究》文中指出高重频、纳秒级可调谐中红外(3-5μm)激光在军事对抗、大气环境监测等军民领域有着广泛的应用,是近年来激光技术的一个重要研究分支。以高重频、窄脉宽1064nm主振荡功率放大(MOPA)泵浦的PPMgLN光参量振荡器(OPO)是一种提高中红外激光运转重频、压窄脉宽、实现高功率输出的有效方法,该方面的研究对于中红外激光器的发展有着重要的指导意义。本论文以准相位匹配和光参量振荡技术理论研究为切入点,分析了高重频、窄脉宽中红外激光转换效率提升的影响因素,重点开展了1064nm-MOPA泵浦结构设计与PPMgLN-OPO器件参数优化,最终实现了高重频、窄脉宽、可调谐中红外激光稳定输出。具体开展的研究工作和取得的主要研究成果如下:理论方面:从准相位匹配和光参量振荡原理出发,推导了涵盖偏振态变化的叁波互作用耦合方程,分析了偏振态耦合和逆转换问题对准相位匹配光参量振荡器转换效率的影响;基于PPMgLN极化晶体,对PPMgLN-OPO的不同调谐方式进行了模拟研究。设计方面:分别针对高重频、窄脉宽1064nm主振荡功率放大器与PPMgLN光参量振荡器开展了结构设计与器件参数优化,根据四能级速率方程研究了不同器件及结构参数对1064nm主振荡器重复频率、脉宽的影响,优化设计了高密度LD端面泵浦耦合Nd:YVO4装置,通过对Nd:YVO4增益介质的热效应理论分析和热焦距模拟计算,综合考虑泵浦与谐振光斑模式匹配,优化设计了1064nm主振荡器谐振腔结构参数,同时,从增益饱和效应及放大模式匹配原理入手,完成了模块化1064nm放大级结构参数设计;在此基础上,对单谐振外腔泵浦PPMgLN-OPO的增益、阈值、转换效率、振荡过程的PPMgLN晶体热效应进行了理论分析和模拟计算,并由理论分析结果,确定了耦合腔镜曲率及膜系透过率、泵浦光斑与振荡参量光斑比值、腔型尺寸等重要参数的最佳取值范围。实验方面:首先对PPMgLN-OPO高重频、窄脉宽1064nm主振荡功率放大器泵浦源进行了实验研究,主振荡器谐振腔采用L型折迭腔结构,并在腔内置入垂直狭缝进行光斑模式限制,放大级采用二级功率放大结构,在声光调Q重复频率70kHz下实现了40.1W平均功率、9.82ns窄脉宽的1064nm脉冲激光输出。应用以上泵浦结构,开展了外腔泵浦PPMgLN-OPO实验研究,采用极化周期29μm、3mm厚度的PPMgLN晶体作为参量变频介质,实现了最高3.84μm闲频光3.24W和1.47μm信号光9.01W的功率输出。通过分析实验中出现的能量逆转换现象,进一步改变OPO输出镜透过率,调节泵浦光偏振态优化模式匹配,获得了4.86W的3.84μm中红外激光输出,脉冲宽度为9.56ns,光-光转换效率达到15.5%,并有效抑制了逆转换效应。最后,分别开展了PPMgLN-OPO周期调谐和温度调谐的实验研究,采用间隔0.5μm的28.5~31.5μm多周期PPMgLN晶体,通过改变晶体极化周期实现了中红外激光波长从2965.5~4173.5nm范围内的可调谐输出,调谐带宽达到1208nm。随后采用29μm单周期PPMgLN晶体,通过改变晶体工作温度从25~200℃,得到中红外光谱连续变化范围3765~3974nm。
佚名[4]2011年在《光电子技术》文中研究说明O4320110102394种钌配合物室温和低温条件下发光机理的比较研究/倪泉丰,陈禹,沈涵,巢晖,王惠,计亮年(中山大学光电材料与技术国家重点实验室)//光学学报.―2010,30(8).―2350～2354.以4种钌配合物[Ru(bpy)3]2+,[Ru(bpy)2HPIP]2+,[Ru(dmb)2PIP]2+,[Ru(dmb)2DMNP]2+为研究对象,采用时间分辨的光谱技术分别测量了这4种钌配合物在室温和低温情况下的稳态发光光谱及瞬态发光动力学过程。结果表明,4种样品在低温条件下的发光强度较之室温条件均有所
王与烨[5]2008年在《全固态内腔光学参量振荡及内腔倍频技术的研究》文中研究表明内腔光学参量振荡(IOPO)及内腔倍频技术是非线性光学频率变换领域中的两个重要组成部分,其可以有效利用腔内较高的功率密度,获得高功率、高能量的激光输出,并且具有转换效率高、阈值低的特点。其中,内腔光学参量振荡技术是获得人眼安全波段1.5xμm激光光源的重要手段之一,该波段的激光在光通讯、激光测距、激光雷达与遥感、大气探测、激光医疗等领域有着广泛的应用前景。在此基础上,由于THz波的特点,基于内腔THz参量振荡技术产生THz波辐射已成为当前的一个研究热点。目前,高功率绿光激光器因其在激光材料加工、激光彩色显示、激光医疗以及激光同位素分离等领域的重要应用而成为研究的热点。内腔倍频技术是实现高功率绿光激光器输出的最常用的方法。本文的主要内容和创新点可归纳如下:1.从准连续泵浦被动调Q激光器的速率方程出发,首次推导了准连续被动调Q激光器运转的阈值泵浦速率的计算公式,给出了在一个泵浦周期内产生一个或多个脉冲的阈值泵浦速率及功率范围的表达式,分析了泵浦脉冲宽度、泵浦速率及输出镜反射率对输出脉冲能量和脉冲宽度的影响。并且对被动调Q激光器进行理论上的优化设计;2.从理论上研究了主动调Q IOPO和被动调Q IOPO在单谐振和双谐振时的动力学方程,并进行了数值模拟。分析了激光输出镜反射率、泵浦强度及被动调Q可饱和吸收体透过率对输出脉冲的影响。首次推导了单谐振内腔光学参量振荡的阈值公式。理论分析结果为内腔光学参量振荡的实验研究提供了深入和全面的理论基础;3.基于内腔光学参量振荡技术,采用不同的调Q方式对1.57μm人眼安全激光器进行了实验研究。当采用LD侧面泵浦Nd:YAG晶体,声光调Q,KTP晶体作为参量振荡晶体,获得了重复频率3.5kHz、平均功率1.2W、脉冲宽度4.9ns的1.57μm激光输出,这是首次采用全固态LD侧面泵浦方式实现1.57μm激光输出的实验研究。当采用电光调Q方式,获得了重复频率10Hz、单脉冲能量31.5mJ、脉冲宽度3.48ns的1.57μm激光输出。当采用准连续LD侧面泵浦Nd:YAG晶体,Cr4+:YAG晶体被动调Q,获得了重复频率40Hz、最大单脉冲能量2.3mJ、脉冲宽度2.6ns的1.57μm激光输出。后两者在同类文献报道中均为最高能量输出,达到国际领先水平;4.总结和分析了MgO:LiNbO_3晶体在红外、近红外以及THz波段的色散和吸收特性,理论计算了基于MgO:LiNbO_3晶体非共线相位匹配技术实现THz波参量振荡输出的波长调谐曲线。根据TPO的原理,首次推导了双波长THz波产生的相关理论。实验中,采用电光调Q Nd:YAG激光器内腔泵浦TPO装置,通过角度调谐得到了1069.4-1073.4nm的相干窄带、连续可调的Stokes光输出,理论计算对应输出THz的频率范围为1.4-2.5THz。5.对高功率绿光激光器进行理论和实验研究。在理论上计算了内腔倍频绿光激光器中激光晶体和倍频晶体中的温度分布,其中,激光晶体分别采用单晶Nd:YAG棒和复合Nd:YAG陶瓷棒。理论计算了有热致双折射时谐振腔的稳区分布。采用CEO公司生产的1600W半导体侧泵模块,基于新型的复合Nd:YAG陶瓷多晶棒,进行了准连续绿光激光器的实验研究。当采用单声光调Q时,实现了重复频率10.6kHz,最大平均功率为104W的绿光输出。在100W时,功率不稳定性为0.1%,这是利用陶瓷Nd:YAG晶体实现的绿光输出最高功率;当采用正交的双声光Q开关调Q,高抗灰迹的KTP晶体倍频,实现了重复频率25kHz,最大平均功率153W的绿光输出,光光转换效率为14.27%。当输出功率为130W时,功率不稳定性为0.6%。该输出功率达到国际先进水平。6.对单频绿光激光器进行理论和实验研究。采用KTP晶体与布氏板组成的双折射滤光片进行单频选择;利用琼斯矩阵分析了不同KTP晶体长度和Nd:YVO_4晶体长度对选频能力的影响,并且分析了温度对频率漂移的影响。实验中采用简单的驻波腔,单KTP/单布氏板结构,在8W的泵浦功率下获得了0.37W的单频绿光输出。
佚名[6]2005年在《光电子技术》文中研究表明O432005050088激光等离子体诱导蚀除眼内病体组织的机理分析/熊建文,刘桂香,陈丽,肖化,张镇西(西安交通大学)//激光杂志.―2005,26(1).―69～72.该文分析了激光等离子体诱导蚀除眼内病体组织的物理机理,并从理论上解释了等离子体诱导
吴倩[7]2018年在《体块α/β-BaTeMo_2O_9晶体生长与光电器件的研究》文中指出激光作为20世纪最伟大的发明之一,其较好的单色性、方向性、相干性及高能量密度等,在农业、军事和医疗领域得到了重要而广泛的应用,尤其是中红外激光在现代国防中起着不可替代的作用。采用激光工作介质获得的激光波长有限,不能覆盖很多重要波段。目前一种行之有效的方法就是利用非线性光学晶体对现有的激光进行非线性光学频率转换,从而获得新波长的激光。同时激光的产生也推动了光束的调制、偏转、倍频以及信息处理等光电晶体元件的应用,如声光调制器件、电光器件、偏光器件的产生与选择。近年来,一类同时包含d0过渡金属阳离子(Mo6+,W6+,Ti4+,V5+,Nb5+,etc)和含有孤对电子的主族阳离子(I5+,Se4+,Sb3+,Te4+,Srn2+,Pb2+,etc)的新型多元氧化物引起了科研人员的广泛关注。而这些多元氧化物大多具有非中心对称的结构,具有非中心对称结构的晶体在宏观上体现出物理性质的各向异性,其物理性能更为丰富。基于以上离子合成的化合物最初作为二阶非线性光学材料来研究。近年来我们课题组一直致力于探索含有孤对电子碲(Te4+)和钼(Mo6+)/钨(W6+)四元氧化物作为新型光电功能晶体的可能性,因为重原子Te和Mo/W的引入使得这类化合物具有宽的透过波段,可以克服叁元氧化物单晶透过波段不能覆盖中红外的缺点。此外这类化合物一般具有较大的带隙,进而表现出大的激光损伤阈值,在中高功率的频率转换方面可能具有一定的应用前景。众所周知,氧化物单晶在现代光电技术领域内发挥着不可替代的作用。在此思想指导下,本课题组合成了一系列含碲和钼/钨酸盐四元化合物,并探索出成熟的助熔剂体系,取得了一系列成果。2008年,本课题组首次在国际上报道了单斜相β-BaTeMo2O9(β-BTM)晶体的生长,并对该晶体的光学、拉曼、压电以及电光性能进行了详细探索,研究表明β-BTM晶体是一种性能优异的光电多功能晶体材料。α-BaTeMo209(α-BTM)晶体是在优化生长β-BTM晶体的助熔剂过程中由本课题组发现的一种新型晶体,并对其进行了详细的研究,其透过波段可覆盖3～5 μm的中红外波段,表明该晶体是一种潜在的光电晶体。另一方面,α-BTM和β-BTM晶体也存在一些不足之处:(1)β-BTM晶体内部存在颜色突变现象,且在生长过程中容易出现杂晶和包藏;(2)α-BTM晶体目前生长的尺寸较小,且晶体内部较易出现包藏;(3)对α/β-BTM晶体的研究仅限于对其基本性能表征,缺乏晶体生长机理以及在光电器件方面的设计应用研究。针对以上问题,本论文α/β-BTM单晶的大尺寸高质量单晶生长、生长机理、光电器件设计与制作进行了较为系统的研究,主要的研究工作和结果如下:Ⅰ.α//β-BTM生长体系的优化、生长机理及两相BTM晶体的生长与界面表征通过优化晶体的生长参数,包括溶液浓度、温场、降温速率、封炉保温方式、籽晶方向等,生长出高质量大尺寸的cα-BTM和β-BTM单晶,最大尺寸和质量分别可达 105×77×27 mm3和 51×48×43 mm3、900.1 g 和 446.1 g,所获得的晶体透明,无明显缺陷。同时研究了籽晶方向对晶体生长形貌的影响,采用[100]、[010]和[001]向籽晶都能生长出高质量大尺寸的α-BTM单晶。并利用Zygo对晶体质量进行评估,晶体的光学均匀性均方根可达10-5。测量了两相BTM在助熔剂(TeO2:Mo03=1.2:1)中的溶解度,发现α-BTM和β-BTM的饱和点非常接近,表明可采用一种配比的浓度生长出两相BTM晶体。测量了不同浓度下溶液的粘度,对比α-BTM和β-BTM的结构相似性,选取了αβ-BTM与bα-BTM向、以及(0 12)β-BTM和(204)α-BTM两组籽晶进行顶部多籽晶生长两相BTM晶体,通过合适的降温速率获得了高质量的体块两相BTM晶体。并对两相BTM界面进行了较全面的表征。首先晶格失配的计算确定了能发生完全晶格匹配的方向,发现与所选籽晶方向相对应;采用第一性原理对界面结合能的计算给出了两相BTM界面的结合方式,表明界面处的原子发生重组,MoO6八面体共用一个氧原子形成O5Mo-O-MoO5双八面体结构;结合劳埃背射和扫描电子显微镜可以确定两相BTM界面处是部分生长在一起,而并非助熔剂的黏连。这种结构有可能会在异质结方面有潜在的应用价值。Ⅱ.α-BTM晶体在偏光棱镜中的设计与制作基于α-BTM的较大的双折射和宽的透过范围,首次对其进行了偏光棱镜的设计与制作。首先理论分析了双轴晶体作为棱镜的可行性,突破了线性光学材料局限于单轴晶的限制。同时也采用第一性原理计算了 α-BTM具有较大双折射的根源:Mo-O键的共价相互作用不同而产生的能量差对cα-BTM晶体的双折射起着决定性的作用。基于α-BTM晶体设计了目前唯一可以覆盖可见-中红外波段的棱镜,消光比大于30000:1(达到高品质冰洲石棱镜指标);器件得到试用单位的高度评价。鉴于棱镜存在的缺陷,我们对偏光棱镜的形状进行了优化与结构角和视场角的光谱性能测试;同时对α-BTM进行了 Wollαston棱镜的设计与光谱性能表征。研究工作不但提供了一种全新的高品质、宽波段棱镜,而且对实验物理以及新材料研究具有指导意义。Ⅲ.BTM晶体的声光器件应用对于α-BTM晶体,首先采用超声光衍射和脉冲回波法对α-BTM晶体X,Y和Z方向的声速和声衰减系数进行了测试,同时设计了 12种不同几何配置的样品进行衍射效率的测试,结合以上结果,给出最佳的声光样品的几何配置:即入射光沿b向,超声波沿α向。然后我们对该几何配置的样品采用对比法进行声光优值的测试,采用已知声光优值的熔融石英为陪测晶体,得到α-BTM的在横波条件下的声光优值为10.18×10-15s3/kg。同时参考Te02声光调制器的设计与制作模式首次进行了双轴α-BTM声光调制器的制作,所用晶体尺寸为5×1O×14mm3,压电换能器厚度为35 μm,电极层采用厚度为2.52 μm的高纯度金,键合层采用厚度为4.93 μm的高纯度锡,衬底层为厚度为1000 A的Cr。采用脉冲LD泵浦Nd:YAG/Nd:YVO4内腔泵浦α-BTM声光调制器,得到其声光衍射效率和衍射角分别为82.1%和1.432°。利用不同的激光增益介质Nd:YAG和Nd:YVO4研究了介质对调制脉宽的影响,结合Nd:YVO4的偏振特性,研究入射光的偏振方向对调制脉冲宽度以及衍射角的影响,发现cα-BTM存在对偏振的不敏感性。对于β-BTM声光几何配置,由于β-BTM表现出良好的压电特性,推测可能是较强的压电效应会与压电换能器之间产生压电效应而影响声光互作用的效率。于是在设计样品切型时,选择压电效应最弱的X向为通超声方向,压电效应较弱的Y(//b)向为通光方向。采用同α-BTM声光调制器的测试方法对β-BTM声光调制器进行了性能表征。得到其衍射效率和衍射角分别为78%和1.42°,略小于α-BTM。同时发现β-BTM对偏振方向具有一定的敏感性,推测与β-BTM晶体的高度不对称性有关。其调制脉宽最窄可达6 ns,完全达到实用要求。Ⅳ.α-BTM晶体的声光-拉曼输出基于α-BTM较好的拉曼性能与声光调制性能,首次对α-BTM晶体1064nm泵浦的声光调制-一阶斯托克斯拉曼激光复合进行试验研究,实现了 86mW、1178 nm拉曼激光输出,从LD到拉曼激光的光光转换效率为0.98%,斜效率为1.48%,并对输出光谱的调制特性进行了详细表征。
参考文献：
[1]. 全固态高性能振荡级激光器的研究[D]. 沈建平. 北京交通大学. 2014
[2]. 双折射光学晶体YVO_4生长过程中的数值模拟研究[D]. 张健. 长春理工大学. 2001
[3]. 1064nm主振荡功率放大泵浦PPMgLN中红外光学参量振荡器研究[D]. 王子健. 长春理工大学. 2016
[4]. 光电子技术[J]. 佚名. 中国无线电电子学文摘. 2011
[5]. 全固态内腔光学参量振荡及内腔倍频技术的研究[D]. 王与烨. 天津大学. 2008
[6]. 光电子技术[J]. 佚名. 中国无线电电子学文摘. 2005
[7]. 体块α/β-BaTeMo_2O_9晶体生长与光电器件的研究[D]. 吴倩. 山东大学. 2018
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