被动调Q与锁模TmYAP激光器的理论与实验研究（学位论文-工学）.docx

工 学 硕 士 学 位 论 文被 动 调 Q 与 锁 模 Tm:YAP 激光器的理 论 与 实 验 研 究THEORETICAL AND EXPERIMENTALSTUDIES ON PASSIVELY Q-SWITCHEDAND MODE LOCKING Tm:YAP LASERS田 义哈 尔 滨 工 业 大 学2010 年 7 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN248.1国 际 图 书 分 类 号 ： 535工 学 硕 士 学 位 论 文被 动 调 Q 与 锁 模 Tm:YAP 激光器的理 论 与 实 验 研 究硕 士 研 究 生：田 义导 师 ： 王 月 珠 教 授申 请 学 位：工 学 硕 士学 科 、 专 业：物 理 电 子 学所 在 单 位：光 电 子 信 息 科 学 与 技 术 系答 辩 日 期：2 010 年 7 月 1 日授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TN248.1U.D.C.: 535Dissertation for the Master’s Degree in EngineeringTHEORETICAL AND EXPERIMENTALSTUDIES ON PASSIVELY Q-SWITCHEDAND MODE LOCKING Tm:YAP LASERSCandidate： Tian YiSupervisor： Prof. Wang YuezhuAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Physical ElectronicsUnit： Department of Opto-electronicsInformation Science and TechnologyDate of Oral Examination： July, 2010University： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要半 导 体 激 光 器 泵 浦 Tm:YAP 固 体 激 光 器 的 输 出 波 长 位 于 2μm 波 段 ， 在 环 境监 测 、 光 电 对 抗 、 医 疗 等 方 面 有 广 泛 的 应 用 。

本 论 文 从 理 论 和 实 验 两 个 方 面 对连 续 波 （ CW） 、 被 动 调 Q（ PQS） 和 被 动 调 Q 锁 模 （ PQML） 运 转 的 Tm:YAP激 光 器 进 行 了 研 究 在 理 论 方 面 ， 主 要 进 行 了 以 下 三 方 面 的 工 作 首 先 ， 为 了 获 得 腔 内 激 光 模半 径 的 分 布 ， 方 便 快 捷 的 设 计 各 种 激 光 器 谐 振 腔 ， 根 据 ABCD 矩 阵 理 论 编 制 了“固 体 激 光 器 谐 振 腔 计 算 机 辅 助 设 计 软 件 V1.0” 其 次 ， 根 据 速 率 方 程 理 论 分别 建 立 了 CW、 PQS 和 PQML 激 光 器 模 型 ， 编 制 了 “固 体 激 光 器 输 出 特 性 仿 真软 件 V 1.0”， 利 用 该 软 件 可 以 方 便 的 从 理 论 上 分 析 出 CW， PQS 和 PQML 运 转激 光 器 的 输 出 激 光 功 率 、 能 量 和 脉 冲 的 时 间 特 性 最 后 ， 为 了 分 析 晶 体 热 效 应对 激 光 输 出 功 率 、 效 率 、 长 腔 的 稳 定 性 等 的 影 响 ， 本 论 文 首 次 建 立 了 连 续 波 泵浦 的 具 有 解 析 形 式 的 含 时 热 分 析 模 型 ， 同 时 首 次 推 导 并 提 出 了 热 贡 献 系 数 和 应力 贡 献 系 数 的 概 念 ， 并 根 据 此 模 型 编 制 了 “激 光 晶 体 热 分 析 仿 真 软 件 V 1.0”。

此 外 ， 利 用 该 软 件 对 泵 浦 功 率 30W 条 件 下 半 径 为 2mm 的 Tm:YAP 晶 体 进 行 了动 态 热 分 析 ， 结 果 表 明 晶 体 端 面 的 热 弥 散 时 间 常 数 约 0.78s， 但 与 晶 体 的 半 径 参数 无 关 ， 该 晶 体 的 热 贡 献 系 数 值 为 1.29K/W， 晶 体 内 最 高 温 度 达 326K， 最 大 应力 强 度 位 于 晶 体 端 面 的 边 缘 处 为 10.2MPa 热 分 析 结 果 还 表 明 应 力 强 度 越 靠 近端 面 中 心 就 会 越 快 的 达 到 稳 态 ， 而 且 稳 态 时 相 应 的 应 力 强 度 也 越 小 ， 并 通 过Tm:YAP 的 破 裂 极 限 推 得 在 应 力 贡 献 系 数 为 0.34 MPa/W 条 件 下 该 晶 体 的 最 大 可允 许 泵 浦 功 率 为 471W在 实 验 方 面 ， 主 要 开 展 了 以 下 四 个 实 验 一 是 测 量 热 焦 距 实 验 ， 在 泵 浦 功率 16~34W 时 实 验 测 量 Tm:YAP 的 热 焦 距 约 为 90~40mm， 与 “激 光 晶 体 热 分 析仿 真 软 件 V 1.0”的 仿 真 结 果 一 致 ， 仿 真 与 实 验 结 果 表 明 连 续 波 泵 浦 的 具 有 解析 形 式 的 含 时 热 分 析 模 型 可 以 很 好 的 反 映 晶 体 的 瞬 态 热 和 应 力 的 变 化 。

二 是CW 运 转 Tm:YAP 激 光 器 实 验 ， 详 细 研 究 了 LD 的 工 作 温 度 、 腔 长 、 输 出 镜 透过 率 对 激 光 输 出 特 性 的 影 响 ， 验 证 了 透 镜 补 偿 法 和 平 凹 镜 补 偿 法 两 种 热 透 镜 补偿 方 案 利 用 “固 体 激 光 器 输 出 特 性 仿 真 软 件 V 1.0”对 激 光 器 CW 输 出 性 能进 行 了 模 拟 ， 搭 建 了 L 型 腔 激 光 器 ， 实 验 结 果 与 仿 真 的 斜 率 效 率 均 为 34%， 但仿 真 的 阈 值 （ 6.35W） 要 比 实 际 值 小 1.07W， 分 析 了 二 者 不 一 致 的 原 因 ， 最 后验 证 了 CW 运 转 激 光 器 模 型 的 正 确 性 三 是 PQS 实 验 ， 首 次 实 现 了 LD 泵 浦 用InGaAs/GaAs 做 饱 和 吸 收 体 的 双 波 长 (1940nm 和 1986nm)输 出 的 PQS Tm:YAP-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文激 光 器 。

通 过 选 择 吸 收 体 合 适 的 位 置 ， 在 泵 浦 功 率 35W 条 件 下 ， 获 得 了 重 频43.7kHz， 脉 宽 447ns， 最 大 脉 冲 能 量 达 28.1μJ 的 脉 冲 输 出 四 是 PQML 实 验 ，通 过 搭 建 1.8m 的 长 腔 ， 实 现 了 LD 泵 浦 用 InGaAs/GaAs 做 饱 和 吸 收 体 的 PQMLTm:YAP 激 光 输 出 ， 输 出 中 心 波 长 是 1938nm， PQS 效 率 达 46.6%， PQML 的 调制 深 度 约 50%， 最 大 平 均 输 出 功 率 达 480mW 实 验 结 果 证 明 InGaAs/GaAs 可以 作 为 2μm 波 段 的 饱 和 吸 收 体 关 键 词 固 体 激 光 器 ； 2μm 激 光 器 ； Tm:YAP； 被 动 调 Q； 被 动 锁 模- II -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractThe laser diode (LD) pumped Tm:YAP laser’s wavelength is 2 μm which is inthe atmospheric window and is applied in remote sensing, photoelectriccountermeasures, and medical diagnoses widely. In this paper, we investigate andexplore both theories and experiments in the field of the diode-end-pumped Tm:YAPcontinuous-wave (CW), passively Q-switched (PQS) and Q-switched mode-locking(PQML) lasers.Theoretically, our main work is concentrated on the following three aspects.Firstly, in order to investigate the mode radius in the laser cavity and design variousresonators conveniently, “Resonator of Solid State Laser Computer Aid DesignSoftware V1.0” is programmed according to ABCD matrix theory. Secondly, the CW,PQS and PQML models are built according to the rate equation theory, and “SolidState Laser Output Laser Characteristics Simulation Software V1.0” is programmed,which can be easily used to analyze the output laser power, energy, and pulse timecharacteristics under CW, PQS and PQML laser operation. Finally, in order toanalyze the effect on the output laser power, energy, and stability of long cavity bythermal loading in the crystals, a time-dependent analytical thermal model oftemperature and stresses is developed for the first time. What’s more, the temperaturecontribution coefficient and stress contribution coefficient are firstly derived fromthe analytical model. Then, the software of “Laser Crystal Thermal AnalysisSimulation V 1.0” is programmed according to the model. Under the condition ofpump power of 30 W, dynamic thermal effects of Tm:YAP sample with a radius of 2mm was analyz。