单掺Ho单纵模连续2微米固体激光器研究.pdf

摘要

2μm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2μm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2μm

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2μm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2μm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2μm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2μm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528mW，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1.5W。

为了提高2μm单纵模激光器的抗失谐能力，采用角锥棱镜代替谐振腔腔镜

来减小机械振动和激光增益介质热畸变引起的谐振腔失谐问题。从角锥棱镜自

身的优良光学特性出发，理论模拟分析了角锥棱镜谐振腔的抗失谐特性，验证

了采用角锥腔来提高2μm单纵模激光器抗失谐能力的可行性。采用正透镜效应

的Ho:YAG晶体为激光增益介质，并考虑角锥棱镜的退偏特性，设计了单角锥

棱镜-平腔单纵模激光器，用以研究单角锥腔激光器的输出特性。实验结果表明

腔内加入波片可以补偿角锥的退偏特性，腔内加F-P标准具的方式获得的最大

单纵模输出功率为478mW。研究结果将为双角锥腔单掺Ho激光器的结构设计

提供参考依据。

最后，对双角锥棱镜腔Ho:YLF高功率可调谐单纵模激光器进行理论分析

及实验研究。通过对双角锥棱镜谐振腔的退偏效应进行数值模拟及分析，讨论

了双角锥棱镜的排置方式对激光输出的影响。并对Ho:YLF晶体的负透镜效应

进行了补偿，设计了稳定的双角锥Ho:YLF环形腔激光器。实验上研究了角锥

棱镜失谐量对激光器功率的影响及四分之一波片旋转角与激光器透过率的关

系。利用光学矩阵和坐标转换矩阵，理论模拟分析了基于旋光效应实现双角锥

棱镜Ho:YLF激光器单向输出的原因，最终获得了733mW的单纵模激光，光束

质量因子M2为1.21，激光器调谐范围约238GHz。

关键词：角锥棱镜；环形腔；单纵模；单掺Ho激光器

Abstract

Thelase