Tm-YAG激光器主动锁模技术的研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)

1.1 课题的研究背景及意义 (1)

1.2 单掺Tm固体激光器 (2)

1.3 2 μm波段Tm:YAG固体激光器的研究现状 (4)

1.4 2 μm波段锁模技术的研究现状 (6)

1.4.1 主动锁模激光器的研究现状 (7)

1.4.2 被动锁模激光器的研究现状 (10)

1.4.3 锁模光纤激光器的研究现状 (12)

1.5 本论文的主要研究内容 (15)

第2章Tm:YAG激光器速率方程理论与热效应分析 (16)

2.1 Tm:YAG晶体特性 (16)

2.2 Tm3+离子的能级结构 (17)

2.3 Tm:YAG激光器速率方程和阈值分析 (21)

2.3.1 Tm:YAG激光器速率方程 (21)

2.3.2 Tm:YAG激光器阈值分析 (22)

2.4 热效应分析以及热透镜的测量 (24)

2.4.1 晶体热场理论分析 (24)

2.4.2 晶体热焦距的测量 (25)

2.5 本章小结 (29)

第3章主动锁模理论分析与锁模谐振腔的设计 (31)

3.1 锁模的基本原理 (31)

3.1.1 多模激光器的输出特性 (31)

3.1.2 锁模激光器的输出特性 (32)

3.2 主动锁模的理论分析 (33)

3.2.1 锁模过程的时域和频域分析 (34)

3.2.2 振幅调制原理 (36)

3.2.3 相位调制原理 (37)

3.2.4 主动锁模激光器的自洽解 (37)

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3.3 锁模谐振腔的设计 (40)

3.3.1 谐振腔的设计原理 (40)

3.3.2 主动锁模谐振腔的设计 (41)

3.4 锁模激光器谐振腔参数分析 (42)

3.4.1 L2取值对谐振腔的影响 (43)

3.4.2 L1取值对谐振腔的影响 (44)

3.4.3 L4取值对谐振腔的影响 (45)

3.4.4 腔镜的折叠角度对谐振腔的影响 (46)

3.5 本章小结 (47)

第4章Tm:YAG激光器主动锁模实验研究 (48)

4.1 锁模激光器的实验装置 (48)

4.2 锁模激光器的实验结果及分析 (49)

4.2.1 Tm:YAG晶体连续运行时的输出特性 (50)

4.2.2 Tm:YAG激光器的自锁模分析 (54)

4.2.3 调Q锁模的输出特性 (55)

4.2.4 Tm:YAG连续锁模激光器的输出特性 (57)

4.3 本章小结 (60)

结论 (61)

参考文献 (62)

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致谢 (69)

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第1章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

处于高能级的原子在外界激励的作用下，会向低能级跃迁，同时向外界辐射光子，这种现象我们称之为受激辐射，是由Einstein在1917年提出的，这也是激光产生的基本理论。1954年，Charles Hard Townes以氨气作为放大介质，制成了第一个分子振荡器和放大器，这是人们利用粒子数反转来实现对电磁辐射进行相干放大或振荡的第一次成功。1958年，Aleksandr M.Prokhorov和Townes在其发表的文章中指出，开放式F-B标准具可作为亚毫米到可见光波段激光器的谐振腔，这些工作使后来激光器的出现成为可能。两年后，美国Houston研究室的Theodore Harold Maiman获得了694.3 nm波长的红宝石激光，标志着人类历史上第一束激光的诞生。

自从1960年梅曼获得694.3 nm的激光器，随后几年，激光技术得到迅速发展，各个波段的激光器也随之出现，尤其是波长在2 μm的固体激光器。可以说，到现在为止，2 μm波段的固体激光器已经经历了将近半个世纪的发展，并且技术越来越成熟，性能越来越好。由于该波段的激光器的一些特殊性能，如它处于人眼安全区域[1]、对大气的吸收很弱、对水分子却有较强的吸收等，基于这些特殊属性，波长为2 μm的固体激光器在外科医疗和断层成像[2-5]、环境监测[6]、材料加工[7]、通信[8-11]、工业加工、军事（激光武器）[12-16]、遥感、科研等领域都有着极其重要应用。例如，在医疗方面，由于2 μm波段的激光对水有较强的吸收，因此它有很好的止血作用[17]，被广泛应用于外科医疗手术中。此外，2 μm波段的激光有很好的稳定性，并且带宽很窄，可调谐性很好，因此在大气监测方面它可以作为理想的光源。2 μm波段的激光在军事方面的一个重要应用是激光测距，因为该波段的光对人眼是安全的，并且它不会受到天气等外部条件的干扰，相对于传统的测距方法，大大提高了测量的准确度和安全性。另外，2 μm波段的脉冲激光可作为全固化中红外和中远红外波段的光学参量振荡器（OPO）和光学参量放大器（OPA）的泵浦源，用以产生3~5 μm和8~12 μm宽带可调谐激光输出[18-21]。

超短脉冲的脉宽一般为皮秒（ps）或飞秒（fs），我们得到超短脉冲的途径大多数都是锁模方式。与传统激光不同，通过锁模方法获得的超短脉冲有很多优良特性，如：极窄的脉冲宽度、很高的峰值功率、平均功率和重复频率等，基于这些优势，目前全世界对超短脉冲的重视度越来越高。自从二十世纪六十年代，世