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单掺 Ho 单纵模连续 2 微米固体激光器研究
2μ m 波段激光具有大气消光比低和人眼安全的优点,还在水分子、CO2 分子
和 N2O 分子等多种分子处存在吸收峰,因此在激光遥感、激光测距、光谱学以及
激光医疗等领域有着重要的应用价值。特别地,单纵模输出的 2μ m 脉冲固体激光
器是相干多普勒激光雷达和差分吸收激光雷达的首选光源。激光雷达光源通常通
过注入锁定技术实现,即将单纵模的种子激光注入到另一个高能量、高重频的从
激光器中,通过其放大,以获得窄线宽、大能量、高重频、高峰值功率的单纵模激
光。
种子光激光器在整个系统中占有极为重要的位置,直接影响着整个系统的光
谱特性、模式相位特性以及空间特性,本文主要就提高 2μ m 单纵模种子激光器的
输出功率和抗失谐能力进行研究,从而实现窄线宽、稳定性高的 2μ m 单纵模激光
器,以期为获得更好的激光雷达光源做出一定的贡献。首先,本文详细地介绍了 2
μ m 单纵模激光器和角锥棱镜谐振腔固体激光器的研究概况,分析了获得高功率
2μ m 单纵模激光方法的优缺点。针对激光雷达的种子光光源输出性能仍需提升
的问题,明确了开展抗失谐能力强的高功率单纵模 2μ m 单掺 Ho 激光器及其稳定
性研究的意义。
然后分析了 Ho:YAG 晶体、Ho:YLF 晶体和 Ho:YVO4 的物理及光谱特性,并分
别建立了单端泵浦棒状和块状晶体的热效应模型,数值模拟分析了三种晶体内部
的温度场及热焦距情况,为单端泵浦单掺 Ho 单纵模激光器的设计提供参考。同时,
建立了单掺 Ho 激光器的连续速率方程模型,理论模拟分析了泵浦光斑、谐振腔损
耗和输出镜透过率对激光器输出性能的影响,为单掺 Ho 单纵模激光器的实验研
究提供理论依据。利用 F-P 标准具选模法对单掺钬激光器实现单纵模激光输出进
行了理论分析。
实验研究了内腔 F-P 方式实现单掺 Ho 单纵模激光器的输出特性。在以上研
究工作的基础上,进行了环形腔 Ho:YLF 高功率可调谐单纵模激光器的研究。理论
分析了在环形腔中实现高功率 Ho:YLF 单纵模激光的输出原理,结合对 Ho:YLF 热
透镜效应的分析,进行了谐振腔的设计和稳定性的分析。
通过在腔内加入旋光器和二分之一波片,实现了环形腔的单向输出,获得最
高的单纵模输出功率为 528m W,腔内加入 F-P 标准具,激光器调谐范围约为
178GHz。还研究了通过一级主振荡功率放大级后的单纵模激光输出特性,获得最
高的单纵模功率为 1