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,学院：理学院专业：光信息科学与技术班级：0801211学生：王敬洋指导老师：金光勇,目录,1,2,4,绪 论,Tm:YLF激光器的基本理论,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,2m ,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 150Hz,1999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 1.91m。输出最大功率是 21.8W，斜率效率是 42%，光转化效率是37%。,2002年，Mulugeta Petrosa Jirong Yub等人采用“V型折叠腔，二极管阵列脉冲泵浦Tm:YLF，获得300mJ的1.9m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，结果表明掺杂浓度为4%的晶体性能最为出色，斜率效率达到43 %。,1993年上海光机所实现了激光二极管泵浦Tm,Ho双掺杂的2.0m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。,2009,2009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%。,2011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%。,2011,哈工大光电子技术研究所正在进行二极管泵浦 2mTm：YLF，固体激光器的研究,在液氮制冷的条件下,输出功率可达 20W,斜率效率 40% 以上。,国内研究现状,2011,1993,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,1,2,4,绪 论,Tm:YLF激光器的基本理论,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激光器的基本理论,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激光器的基本理论,2. Tm:YLF激光器速率方程,图2-2 Tm:YLF激光器低四位能级图,第二章 Tm:YLF激光器的基本理论,由于：,得到：,第二章 Tm:YLF激光器的基本理论,最后：,目录,1,2,4,绪 论,Tm:YLF激光器的基本理论,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:,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佳长度为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佳掺杂浓度为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,1,2,4,绪 论,Tm:YLF激光器的基本理论,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佳透过率为26%左右（即输出镜反射率为74%）。,目录,1,2,4,绪 论,Tm:YLF激光器的基本理论,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。最终给出晶体最佳掺杂浓度为4%，晶体最佳长度为12mm和输出镜最佳透过率为26%。,第5章 结论,进一步的工作展望： 通过查阅文献发现，采取措施避免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,2008.2 龙井宇.固体红外激光器理论与实验研究D .西安,西北大学,2009. 3 Hamit Kalaycioglu，Alphan Sennaroglu，Adnan Kurt.Influence of Doping Concentration on the Power Performance of Diode-Pumped Continuous-Wave Tm3+:YAlO3 Lasers J .IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,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. Efficient emission at 1908 nm in a diode-pumped Tm:YLF laser J .Quantum Electronics , 2009 , 39(5):410-414.6 B.Q. Yao, L. Ke，X.M. Duan，G. Li，X.T. Yang，Y.L. Ju，and Y.Z. WangStable wavelength, narrow linewidth diode-pumpedTm:YLF laser with double etalons J .Laser Phys,2009,6(8):563566.7 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, 2010,37(4):15-20.8 Xiaojin Cheng,Jianqiu Xu,Yin Hang,Guangjun Zhao and Shuaiyi Zhang. High-power diode-end-pumped Tm:YAP and Tm:YLF slab lasersJ. CHINESE OPTICS LETTERS, 2011.,参考文献,9 Gunnar Rustad and Knut .Stenersen. Modeling of Laser-Pumped Tm and Ho LasersAccounting for Upconversion and Ground-State Depletion J. IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 1996, 32(9).10 M. Pollnau,* P. J. Hardman, M. A. Kern, W. A. Clarkson, and D. C. Hanna. Upconversion-induced heat generation and thermal lensing in Nd:YLF and Nd:YAG J.PHYSICAL REVIEW B,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, 2008, 57(6).12 胡学浩,魏磊,韩隆,王克强.激光二极管端面泵浦TmYAP 2m激光器J.激光与红外, 2010,40(5):25-32.13 林志锋,高明伟,高春清.激光二极管端面抽运TmYAG激光器J.中国激光, 2007,34(2).14P. Cerny, D. Burns. Modeling and Experimental Investigation of a DiodePumped Tm:YAlO3 Laser With a- and b-Cut Crystal Orientations J. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, 2005,11(3): 67468