【摘 要】
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由半导体激光器（LD）泵浦的单掺杂Tm激光器输出的波长范围处于2μm附近,其对大气具有高度的穿透性以及对人眼具有良好的安全性,所以输出的2μm激光可以应用于医疗等许多领域。针对Tm:YAG晶体发射截面小、增益低的缺陷,本文提出双程增益方式使振荡光束在谐振腔内一个往返周期内四次经过激光增益介质,进而提高2μm激光器的输出性能,主要内容为:理论上,基于LD端面抽运Tm:YAG连续和调Q速率方程模型,建
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由半导体激光器（LD）泵浦的单掺杂Tm激光器输出的波长范围处于2μm附近,其对大气具有高度的穿透性以及对人眼具有良好的安全性,所以输出的2μm激光可以应用于医疗等许多领域。针对Tm:YAG晶体发射截面小、增益低的缺陷,本文提出双程增益方式使振荡光束在谐振腔内一个往返周期内四次经过激光增益介质,进而提高2μm激光器的输出性能,主要内容为:理论上,基于LD端面抽运Tm:YAG连续和调Q速率方程模型,建立了LD端面抽运双程增益Tm:YAG连续和调Q速率方程。与常规Tm:YAG连续激光器相比,双程增益Tm:YAG连续激光器的输出功率更高;与常规Tm:YAG调Q激光器相比,双程增益Tm:YAG调Q激光器的输出能量更大,输出脉冲宽度更窄,从理论上证明了双程增益技术对于提高Tm:YAG调Q激光器输出性能的可行性。基于Tm:YAG晶体内部光场和热场分布模型,模拟得到晶体内部光、热场分布情况,并利用Matlab软件仿真得到Tm:YAG晶体在泵浦功率30W、泵浦光斑半径为0.4mm时的热透镜焦距为67mm。在此基础上设计了具有更加稳定的光学、热学性能的谐振腔。理论研究的结果为进一步开展实验和分析实验现象做铺垫。实验上,首先开展了LD端面抽运Tm:YAG连续激光器实验研究。谐振腔长40mm时,激光器振荡阈值功率为4.5W,在泵浦注入功率为13.23W时,得到的输出功率最高为4.2W,斜率效率为48.1%。为实现调Q脉冲激光输出,并能与后续双程增益实验结果进行比对,将谐振腔长拉长至220mm,自由运转时,激光器振荡阈值功率为5.45W,注入功率10.02W下获得为0.643W激光输出,斜效率降至14.07%;调Q重频50Hz时,注入功率9.80W下,获得单脉冲能量5.82m J、脉宽130ns的激光输出;重频5k Hz时,注入功率11.11W下,获得单脉冲能量113.2μJ、脉宽789.5ns的激光输出。再次,开展了LD端面抽运双程增益Tm:YAG连续激光器实验研究。激光器的振荡阈值功率为5.45W,在泵浦注入功率为8.94W时,得到的输出功率最高为0.656W,斜率效率为18.80%。最后,开展了LD端面抽运双程增益Tm:YAG声光调Q激光器实验研究。调Q重频50Hz时,注入功率10.56W下,获得单脉冲能量8.32m J、脉宽119.3ns的激光输出,斜率效率为14.54%,中心波长为2014.16nm,光束质量M2为1.2。调Q重频5k Hz时,注入功率11.11W下,获得单脉冲能量124.44μJ、脉宽685.2ns的激光输出,斜率效率为18.27%,中心波长为2014.16nm,光束质量M2为1.22。实验结果表明,采用双程增益技术可以有效地提高激光器输出功率与斜率效率,这为小增益激光介质实现高功率激光输出提供了一种新思路。
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