20120625-2012届本科毕业论文-LD端面泵浦Tm-YLF连续激光器的输出特性分析

LD端面泵浦Tm:YLF连续

激光器的输出特性分析目录124

绪论Tm:YLF激光器的根本理论

晶体参数对激光器输出特性影响分析3

输出镜透过率对激光器输出特性影响分析5

总结第一章绪论2μm,大气窗口

医学诊断和治疗

激光成像光电对抗Tm:YLF环境监测

遥感探测

国外研究现状1991年，B.T.Mcguckin等人用二极管端面泵浦6%Tm，0.4%Ho:YLF调Q激光器，输出功率为84mW，光转换效率是42%，斜率效率是60%,重频为150Hz1999年，L.A.Pomeran等人在室温下，用二极管激光器泵浦3%，Tm:YLF对于Tm:YLF，激光器的阈值是5.8W，输出波长是1.91μm。输出最大功率是21.8W，斜率效率是42%，光转化效率是37%。2002年，MulugetaPetrosaJirongYub等人采用“V"型折叠腔，二极管阵列脉冲泵浦Tm:YLF，，获得300mJ的1.9μm激光输出，斜率效率29%，光光转换效率20%。2005年，J.I.Mackenzie,S.So等比较了掺杂浓度分别2%,4%,6%的Tm:YLF晶体的激光性能晶体均为相同直径的棒，结果说明掺杂浓度为4%的晶体性能最为出色，斜率效率到达43%。1993年上海光机所实现了激光二极管泵浦Tm,Ho双掺杂的2.0μm激光输出。安徽光机所进行了闪光灯泵浦的脉冲单纵模Cr,Tm,Ho:YAG激光器的研究。20212021年清华与哈工大的L.Huang，M.Gong等人在室温下使用二极管双面泵浦激光器，在泵浦功率为26.2W时，得到输出功率为5.6W，斜率效率高达37.8%。2021中科大和上海交大的程小劲,徐剑秋等人使用掺杂Tm浓度为3.5%的晶体,当泵浦功率为220W时,得到最大输出功率为50.2W，斜率效率为26.6%。2021

国内研究现状20211993第一章绪论本论文研究目的：

本论文对影响Tm:YLF激光器输出特性的各相关参数进行研究，模拟晶体长度，晶体掺杂浓度以及输出镜透过率对输出特性的影响，为研究Tm激光器提供理论依据。目录124

绪论Tm:YLF激光器的根本理论

晶体参数对激光器输出特性影响分析3

输出镜透过率对激光器输出特性影响分析5

总结第二章Tm:YLF激光器的根本理论1.Tm系统的上转换效应

能量传递上转换效应是处于激光上能级的两个粒子相互作用，一个上能级粒子跃迁到下能级，释放的能量被另一个粒子吸收，得到能量的粒子从激光上能级跃迁到更高的能级。第二章Tm:YLF激光器的根本理论2.Tm:YLF激光器速率方程

图2-2Tm:YLF激光器低四位能级图第二章Tm:YLF激光器的根本理论由于：得到：第二章Tm:YLF激光器的根本理论最后：目录124

绪论Tm:YLF激光器的根本理论

晶体参数对激光器输出特性影响分析3

输出镜透过率对激光器输出特性影响分析5

总结第三章晶体参数对激光器输出特性影响分析

对于LD端面泵浦Tm:YLF连续激光器，主要有晶体掺杂浓度、晶体长度、输出镜透过率对输出特性造成影响。

(1)晶体长度对阈值功率的影响:Tm:YLF激光器阈值功率表达式为

第三章晶体参数对激光器输出特性影响分析通过文献总结:参数名称参数数值晶体吸收泵浦光的效率0.4862谐振腔的固有损耗0.05300K下，激光上能级的波尔兹曼因子0.517300K下，激光下能级的波尔兹曼因子0.1831.91μm发射截面cm2增益横截面积cm2激光上能级寿命11.2ms对780nm的吸收系数1.59cm-1第三章晶体参数对激光器输出特性影响分析设定晶体的掺杂浓度为4%，输出耦合镜透过率为26%

经过模拟分析得：阈值功率随晶体长度的增大而增大。设定晶体长度分别为8mm，12mm，24mm时，阈值功率分别为:7.2441W，7.2472W和7.2565W。图3-2阈值功率随晶体长度的变化关系第三章晶体参数对激光器输出特性影响分析(2)晶体长度对输出功率的影响

设定晶体的掺杂浓度为4%，输出耦合镜透过率为26%，晶体长度分别为8mm，12mm，24mm。图3-3不同晶体长度下泵浦功率与输出功率的关系曲线由该图的模拟分析，为使得阈值较低，理论上得到的二极管端面泵浦结构的晶体最正确长度为8mm。但实际情况并非这样，这是因为晶体的长度还受到晶体掺杂浓度的影响。一般来说，晶体掺杂浓度越大，晶体的长度应该越小。第三章晶体参数对激光器输出特性影响分析(3)晶体掺杂浓度对阈值功率的影响设定晶体长度为12mm，输出耦合镜透过率为26%经过模拟分析得：阈值功率随晶体掺杂浓度的增大而增大。设定晶体掺杂浓度分别为2%，4%，6%时，阈值功率分别为:

7.2425W，7.2472W和7.2519W.图3-4阈值功率随晶体掺杂浓度的关系第三章晶体参数对激光器输出特性影响分析(4)晶体掺杂浓度对输出功率的影响设定晶体的长度为12mm，输出耦合镜透过率为26%，晶体掺杂浓度分别为2%，4%，6%。图3-5不同掺杂浓度下泵浦功率与输出功率的关系由该图的模拟分析，为使阈值较低，理论上得到的晶体最正确掺杂浓度为2%，但是发现掺杂浓度为4%的晶体的阈值最低。这种现象出现的主要原因是交叉弛豫作用的影响.目录124

绪论Tm:YLF激光器的根本理论

晶体参数对激光器输出特性影响分析3

输出镜透过率对激光器输出特性影响分析5

总结第4章输出镜透过率对Tm:YLF激光器输出特性影响输出镜透过率也对Tm:YLF激光器输出特性产生影响。〔1〕输出镜透过率对Tm:YLF激光器阈值功率的影响设定晶体长度为12mm，晶体掺杂浓度为4%图4-1阈值功率随输出镜反射率的关系经过模拟分析得：激光器的阈值功率随输出镜的透过率增大而增大。设定输出耦合镜透过率分别为5%，9.5%，13.5%，26%时，阈值功率分别为:2.0977W，3.0975W，4.0293W和7.2472W。第4章输出镜透过率对Tm:YLF激光器输出特性影响〔2〕输出镜透过率对Tm:YLF激光器斜率效率的影响图4-2斜率效率随输出镜反射率的关系经过模拟分析得：激光器的斜率效率随输出镜的反射率的增大呈现先缓慢增大后迅速减小的关系,为了阈值功率较低，可以选定输出耦合镜透过率分别为5%，9.5%，13.5%，26%(即输出镜反射率分别为95%，90.5%，86.5%和74%时),激光器输出特性中的斜率效率分别为:0.3516，0.4625，0.5157和0.5912，同时阈值功率控制在较低水平。(3)输出镜透过率对Tm:YLF激光器输出功率的影响设定晶体的掺杂浓度为4%，晶体长度为12mm，激光器输出耦合镜的输出耦合镜的透过率分别为：5%，9.5%，13.5%，26%图4-3不同输出镜透过率下泵浦功率与输出功率的关系由该图模拟分析，为使斜率效率较高，同时使得阈值功率较小，理论上得到输出耦合镜的最正确透过率为26%左右〔即输出镜反射率为74%〕。目录124

绪论Tm:YLF激光器的根本理论

晶体参数对激光器输出特性影响分析3

输出镜透过率对激光器输出特性影响分析5

总结第5章结论全文具体完成了以下方面的内容：1．归纳了LD端面泵浦Tm:YLF连续激光器的研究进展，指出目前英国南安普顿大学对Tm:YLF激光器的研究最为领先，利用平凹腔结构，用LD激光器端面泵浦掺杂浓度为4%的晶体，得到激光器的斜率效率为43%。2．给出了Tm:YLF激光器的速率方程以及输出功率对泵浦功率的表达式。总结出主要有晶体长度，晶体掺杂浓度和输出耦合镜透射率这三个因素影响Tm:YLF激光器的输出特性，理论上，掺杂浓度越低，晶体长度越长，输出镜透过率越小，阈值功率越低。3．对各因素进行了理论分析，模拟出不同晶体长度，掺杂浓度，输出镜透过率下激光器的输出特性。最终给出晶体最正确掺杂浓度为4%，晶体最正确长度为12mm和输出镜最正确透过率为26%。第5章结论进一步的工作展望：通过查阅文献发现，采取措施防止水的吸收峰以及改变泵浦方式使晶体受热更加均匀，激光器的输出功率和斜率效率仍然可以提高，上述两点将是未来的工作重点。参考文献[1]李玉峰.二极管泵浦单掺固体激光器研究[D].哈尔滨,哈尔滨工业大学,2021.[2]龙井宇.固体红外激光器理论与实验研究[D].西安,西北大学,2021.[3]HamitKalaycioglu，AlphanSennaroglu，AdnanKurt..InfluenceofDopingConcentrationonthePowerPerformanceofDiode-PumpedContinuous-WaveTm3+:YAlO3Lasers[J].IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINQUANTUMELECTRONICS,2005,11(3).[4]段小明．激光二极管泵浦Tm:YLF激光器的实验研究[D].哈尔滨,哈尔滨工业大学,2007.[5]N.G.Zakharov，O.L.Antipov，A.P.Savikin，V.V.Sharkov，O.N.Eremeikin,Yu.N.Frolov，G.M.Mishchenko，S.D.Velikanov.Efficientemissionat1908nminadiode-pumpedTm:YLFlaser[J].QuantumElectronics,2021,39(5):410-414.[6]B.Q.Yao,∗L.Ke，X.M.Duan，G.Li，X.T.Yang，Y.L.Ju，andY.Z.Wang．Stablewavelength,narrowlinewidthdiode-pumpedTm:YLFlaserwithdoubleetalons[J].LaserPhys,2021,6(8):563–566.[7]李静,杨苏辉,张海洋,赵长明.高效率激光二极管抽运Tm:YAP激光器实验研究[J].中国激光,2021,37(4):15-20.[8]XiaojinCheng,JianqiuXu,YinHang,GuangjunZhaoandShuaiyiZhang.High-powerdiode-end-pumpedTm:YAPandTm:YLFslablasers[J].CHINESEOPTICSLETTERS,2021.参考文献[9]GunnarRustadandKnut.Stenersen.ModelingofLaser-PumpedTmandHoLasersAccountingforUpconversionandGround-StateDepletion[J].IEEEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS,1996,32(9).[10]M.Pollnau,*P.J.Hardman,M.A.Kern,W.A.Clarkson,andD.C.Hanna.Upconversion-inducedheatgenerationandthermallensinginNd:YLFandNd:YAG[J].PHYSICALREVIEWB,1998.[11]张新陆,王月珠,李立,崔金辉,鞠有伦.端面抽运Tm,HoBYLF连续激光器的参数优化与实验研究[J].物理学报,2021,57(6).[12]胡学浩,魏磊,韩隆,王克强.激光二