20120625--2012屆本科畢業(yè)論文--LD端面泵浦Tm_YLF連續(xù)激光器的輸出特性分析

,LD端面泵浦Tm:YLF連續(xù)激光器的輸出特性分析,學院：理學院 專業(yè)：光信息科學與技術 班級：0801211 學生：王敬洋 指導老師：金光勇,目錄,1,2,4,緒 論,Tm:YLF激光器的基本理論,晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,3,輸出鏡透過率對激光器輸出特性影響分析,5,總 結,第一章 緒論,2m ,大氣窗口,醫(yī)學診斷和治療,激光成像,光電對抗,Tm:YLF,環(huán)境監(jiān)測,遙感探測,國外研究現(xiàn)狀,1991 年，B.T.Mcguckin等人用二極管端面泵浦 6%Tm，0.4%Ho:YLF調Q激光器，輸出功率為84mW，光轉換效率是 42%，斜率效率是 60%,重頻為 150Hz,1999年，L. A. Pomeran 等人在室溫下，用二極管激光器泵浦 3%，Tm:YLF 對于 Tm:YLF，激光器的閾值是 5.8W，輸出波長是 1.91m。輸出最大功率是 21.8W，斜率效率是 42%，光轉化效率是37%。,2002年，Mulugeta Petrosa Jirong Yub等人采用“V型折疊腔，二極管陣列脈沖泵浦Tm:YLF，獲得300mJ的1.9m激光輸出，斜率效率29%，光光轉換效率20%。,2005年，J. I. Mackenzie, S. So等比較了摻雜濃度分別2%, 4% , 6%的Tm:YLF晶體的激光性能晶體均為相同直徑的棒，結果表明摻雜濃度為4%的晶體性能最為出色，斜率效率達到43 %。,1993年上海光機所實現(xiàn)了激光二極管泵浦Tm,Ho雙摻雜的2.0m激光輸出。安徽光機所進行了閃光燈泵浦的脈沖單縱模Cr,Tm,Ho:YAG激光器的研究。,2009,2009年清華與哈工大的L.Huang，M.Gong等人在室溫下使用二極管雙面泵浦激光器，在泵浦功率為26.2W時，得到輸出功率為5.6W，斜率效率高達37.8%。,2011中科大和上海交大的程小勁,徐劍秋等人使用摻雜Tm濃度為3.5%的晶體,當泵浦功率為220W時,得到最大輸出功率為50.2W，斜率效率為26.6%。,2011,哈工大光電子技術研究所正在進行二極管泵浦 2mTm：YLF，固體激光器的研究,在液氮制冷的條件下,輸出功率可達 20W,斜率效率 40% 以上。,國內研究現(xiàn)狀,2011,1993,第一章 緒論,本論文研究目的： 本論文對影響Tm:YLF激光器輸出特性的各相關參數(shù)進行研究，模擬晶體長度，晶體摻雜濃度以及輸出鏡透過率對輸出特性的影響，為研究Tm 激光器提供理論依據(jù)。,目錄,1,2,4,緒 論,Tm:YLF激光器的基本理論,晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,3,輸出鏡透過率對激光器輸出特性影響分析,5,總 結,第二章 Tm:YLF激光器的基本理論,1. Tm系統(tǒng)的上轉換效應 能量傳遞上轉換效應是處于激光上能級的兩個粒子相互作用，一個上能級粒子躍遷到下能級，釋放的能量被另一個粒子吸收，得到能量的粒子從激光上能級躍遷到更高的能級。,第二章 Tm:YLF激光器的基本理論,2. Tm:YLF激光器速率方程,圖2-2 Tm:YLF激光器低四位能級圖,第二章 Tm:YLF激光器的基本理論,由于：,得到：,第二章 Tm:YLF激光器的基本理論,最后：,目錄,1,2,4,緒 論,Tm:YLF激光器的基本理論,晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,3,輸出鏡透過率對激光器輸出特性影響分析,5,總 結,第三章 晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,對于LD端面泵浦Tm:YLF連續(xù)激光器，主要有晶體摻雜濃度、晶體長度、輸出鏡透過率對輸出特性造成影響。 (1)晶體長度對閾值功率的影響: Tm:YLF激光器閾值功率表達式為,第三章 晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,通過文獻總結:,第三章 晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,設定晶體的摻雜濃度為4%，輸出耦合鏡透過率為26%,經過模擬分析得：閾值功率隨晶體長度的增大而增大。設定晶體長度分別為8mm，12mm，24mm時，閾值功率分別為:7.2441W，7.2472W和7.2565W。,圖3-2 閾值功率隨晶體長度的變化關系,第三章 晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,(2)晶體長度對輸出功率的影響 設定晶體的摻雜濃度為4%，輸出耦合鏡透過率為26%，晶體長度分別為8mm，12mm，24mm。,圖3-3 不同晶體長度下泵浦功率與輸出功率的關系曲線,由該圖的模擬分析，為使得閾值較低，理論上得到的二極管端面泵浦結構的晶體最佳長度為8mm。但實際情況并非這樣，這是因為晶體的長度還受到晶體摻雜濃度的影響。一般來說，晶體摻雜濃度越大，晶體的長度應該越小。,第三章 晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,(3)晶體摻雜濃度對閾值功率的影響 設定晶體長度為12mm，輸出耦合鏡透過率為26%,經過模擬分析得：閾值功率隨晶體摻雜濃度的增大而增大。設定晶體摻雜濃度分別為2%，4%，6%時，閾值功率分別為:7.2425W，7.2472W和7.2519W.,圖3-4 閾值功率隨晶體摻雜濃度的關系,第三章 晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,(4)晶體摻雜濃度對輸出功率的影響 設定晶體的長度為12mm，輸出耦合鏡透過率為26%，晶體摻雜濃度分別為2%，4%，6%。,圖3-5 不同摻雜濃度下泵浦功率與輸出功率的關系,由該圖的模擬分析，為使閾值較低，理論上得到的晶體最佳摻雜濃度為2%，但是發(fā)現(xiàn)摻雜濃度為4%的晶體的閾值最低。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是交叉弛豫作用的影響.,目錄,1,2,4,緒 論,Tm:YLF激光器的基本理論,晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,3,輸出鏡透過率對激光器輸出特性影響分析,5,總 結,第4章 輸出鏡透過率對Tm:YLF激光器輸出特性影響,輸出鏡透過率也對Tm:YLF激光器輸出特性產生影響。 （1）輸出鏡透過率對Tm:YLF激光器閾值功率的影響 設定晶體長度為12mm，晶體摻雜濃度為4%,圖4-1 閾值功率隨輸出鏡反射率的關系,經過模擬分析得：激光器的閾值功率隨輸出鏡的透過率增大而增大。設定輸出耦合鏡透過率分別為5%，9.5%，13.5%，26%時，閾值功率分別為:2.0977W，3.0975W，4.0293W和7.2472W。,第4章 輸出鏡透過率對Tm:YLF激光器輸出特性影響,（2）輸出鏡透過率對Tm:YLF激光器斜率效率的影響,圖4-2 斜率效率隨輸出鏡反射率的關系,經過模擬分析得：激光器的斜率效率隨輸出鏡的反射率的增大呈現(xiàn)先緩慢增大后迅速減小的關系,為了閾值功率較低，可以選定輸出耦合鏡透過率分別為5%，9.5%，13.5%，26%(即輸出鏡反射率分別為95%，90.5%，86.5%和74%時),激光器輸出特性中的斜率效率分別為:0.3516，0.4625，0.5157和0.5912，同時閾值功率控制在較低水平。,(3)輸出鏡透過率對Tm:YLF激光器輸出功率的影響 設定晶體的摻雜濃度為4%，晶體長度為12mm，激光器輸出耦合鏡的輸出耦合鏡的透過率分別為：5%，9.5%，13.5%，26%,圖4-3 不同輸出鏡透過率下泵浦功率與輸出功率的關系,由該圖模擬分析，為使斜率效率較高，同時使得閾值功率較小，理論上得到輸出耦合鏡的最佳透過率為26%左右（即輸出鏡反射率為74%）。,目錄,1,2,4,緒 論,Tm:YLF激光器的基本理論,晶體參數(shù)對激光器輸出特性影響分析,3,輸出鏡透過率對激光器輸出特性影響分析,5,總 結,第5章 結論,全文具體完成了以下方面的內容： 1歸納了LD端面泵浦Tm:YLF連續(xù)激光器的研究進展，指出目前英國南安普頓大學對Tm:YLF激光器的研究最為領先，利用平凹腔結構，用LD激光器端面泵浦摻雜濃度為4%的晶體，得到激光器的斜率效率為43 %。 2給出了Tm:YLF激光器的速率方程以及輸出功率對泵浦功率的表達式?？偨Y出主要有晶體長度，晶體摻雜濃度和輸出耦合鏡透射率這三個因素影響Tm:YLF激光器的輸出特性，理論上，摻雜濃度越低，晶體長度越長，輸出鏡透過率越小，閾值功率越低。 3對各因素進行了理論分析，模擬出不同晶體長度，摻雜濃度，輸出鏡透過率下激光器的輸出特性。最終給出晶體最佳摻雜濃度為4%，晶體最佳長度為12mm和輸出鏡最佳透過率為26%。,第5章 結論,進一步的工作展望： 通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，采取措施避免水的吸收峰以及改變泵浦方式使晶體受熱更加均勻，激光器的輸出功率和斜率效率仍然可以提高，上述兩點將是未來的工作重點。,參考文獻,1李玉峰.二極管泵浦單摻固體激光器研究D .哈爾濱,哈爾濱工業(yè)大學,2008. 2 龍井宇.固體紅外激光器理論與實驗研究D .西安,西北大學,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段小明激光二極管泵浦Tm:YLF激光器的實驗研究D .哈爾濱,哈爾濱工業(yè)大學,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 李靜,楊蘇輝,張海洋,趙長明.高效率激光二極管抽運Tm:YAP激光器實驗研究J.中國激光, 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.,參考文獻,9 Gunnar Rustad and Knut .Stenersen. Modeling of Laser-Pumped Tm and Ho Lasers Accounting 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. 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