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中红外波段的2μm以及长波红外波段的8-10μm固体激光器,由于其波长处于大气透明窗口及对人眼安全,因此在激光光电对抗、激光遥感、医疗、环境监测及光通信领域具有重要的应用前景。近年来,Tm3+和 Ho3+作为获得2μm激光输出的首选稀土离子而获得了广泛的研究,其主要的掺杂基质有YAP、YAG以及YLF等。与2μm激光不同,目前缺乏能直接产生8-10μm这个波段激光输出的固体增益介质,因此通常采用对2μm激光进行频率下转换的方式来获得长波红外激光输出。本论文以获得高功率、高光束质量的2μm激光和有效的8-10μm激光输出作为基本出发点,从理论和实验方面详细研究了掺 Ho钒酸盐(Ho:YVO4/Tm,Ho:YVO4/Tm,Ho:GdVO4)激光增益介质的光谱特性和激光特性,然后进一步采用2μm钒酸盐激光器作为泵浦源,对比研究了ZnGeP2(ZGP)和CdSe光学参量振荡器(OPO)在8-10μm波段的激光特性,最终实现了高功率、较好光束质量的8-10μm可调谐激光输出。 首先,为了满足泵浦常温Ho:YVO4晶体的需要,从理论和实验上详细研究了a轴(Pbnm)切割的1.94μm Tm:YAP激光器。介绍了Tm:YAP晶体的光谱特性,并根据光谱从理论上计算了不同轴向切割的Tm:YAP晶体在谐振腔不同输出镜透过率下的增益系数,进而指出对于a轴切割的Tm:YAP晶体需要采用波长选择元件强制1.94μm激光起振的必要性。根据Tm:YAP晶体1.9μm激光的产生机理和能级跃迁机制,建立了双端泵浦的单掺Tm3+准三能级速率方程模型。在考虑泵浦光导致的晶体内温度分布对速率方程中激光能级玻尔兹曼占有因子影响的前提下,通过对速率方程的求解,对Tm:YAP激光器的激光参数比如晶体长度、泵浦光聚焦深度及输出镜透过率等进行了数值优化。实验上,通过采用双Tm:YAP晶体腔内串接以及利用体光栅(VBG)和在腔内插入F-P标准具共同限制振荡波长的方式,最终获得了20W稳定的1.94μm激光输出,为泵浦Ho:YVO4晶体奠定了基础。 其次,利用设计的1.94μm Tm:YAP激光器作为泵浦源,对常温Ho:YVO4激光器进行了详细的理论分析和实验研究。详细测量了Ho:YVO4晶体的吸收光谱,荧光光谱以及上能级寿命,并根据互易法和F-L方程计算了Ho:YVO4晶体在2μm波段的光谱有效发射截面,从而为2μm激光运转提供了光谱分析基础。根据测量的光谱计算了Ho:YVO4晶体在激光谐振腔不同输出镜透过率下的增益系数,从理论上分析了不同输出镜透过率下Ho:YVO4晶体可能的振荡波长及其波长偏振。建立了单掺Ho3+的准二能级速率方程模型,通过对速率方程的求解详细讨论了Ho:YVO4激光器中的泵浦饱和效应、激光正增益所需要的最小粒子数以及单程、双程泵浦方式等对激光输出功率的影响。实验上,通过选择不同的输出镜透过率或者在谐振腔中插入F-P标准具,从而实现并首次报道了常温下Ho:YVO4晶体荧光谱上不同发射峰对应的高效的2μm激光输出。 进一步研究了液氮制冷下Tm,Ho:YVO4晶体的2μm激光输出性能,并与Tm,Ho:GdVO4晶体在2μm波段的激光性能进行对比。理论上,建立了双掺Tm-Ho激光器的速率方程模型,通过对速率方程的讨论,指出为了获得高效的2μm激光输出而对Tm-Ho双掺激光晶体采取液氮制冷的重要性。实验上,详细对比研究了传统的非键合和键合Tm,Ho:YVO4晶体的2μm激光输出性能,通过采用键合晶体最终获得了高达23.4W的2.05μm连续激光输出,斜率效率和光光转换效率分别为37.3％和35.4%。在调Q运行状态下,当脉冲重复频率为15kHz、20kHz和25kHz时分别获得了19.2W、20.3W和20.5W的平均功率输出,对应的最小脉冲宽度分别为20ns、22ns和22.9ns。对Tm,Ho:GdVO4晶体,采用双晶体腔内串接的方式,当脉冲重复频率为10kHz时获得了最大18W的2.05μm激光输出,对应的最小脉冲宽度为28ns。 最后,采用设计的Tm-Ho双掺钒酸盐激光器作为泵浦源,对比研究了ZGP OPO和CdSe OPO的8-10μm激光输出性能。简要介绍了OPO理论,对比分析了ZGP OPO和CdSe OPO的振荡阈值,为OPO实验设计提供了指导原则。实验上详细对比研究了一类和二类相位匹配的ZGP OPO。通过使用具有一定信号光透过率的输出镜,提高了单共振OPO晶体端面镀膜的泵浦损伤阈值。对一类相位匹配的ZGP OPO,当输出波长为8.06μm时获得了最大1.63W的稳定功率输出,对应的光光转换效率为8.9%,斜效率为12.6%,并实现了波长从7.66μm到9.63μm约2000nm范围的可调谐输出。对CdSe OPO,受限于较短的晶体长度,通过采用减小泵浦光斑半径以降低OPO振荡阈值的方式获得了64mW的闲频光输出,中心波长位于8.9μm。进一步详细研究了ZGP OPO谐振腔光学腔长对闲频光输出功率的影响,通过适当的增加OPO谐振腔腔长,使得在1W输出功率下闲频光的光束质量M2因子达到2.14,最终实现了较好光束质量的长波红外激光输出。