基于角锥棱镜的Ho:YAG环形腔单纵模激光器设计开题报告
2022-01-25 23:53:06
全文总字数：9116字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
2μm固体激光器处于人眼安全波段，大气吸收小，具有优异的大气传输特性[1]。目前，2μm波段全固态相干激光光源在激光雷达、激光测距、激光医疗和诊断等领域已显示出越来越广泛的应用前景[2]。然而，随着激光技术的发展，在激光雷达、光电对抗和激光加工等领域的需求牵引下，2μm波段全固态相干激光器正朝着大能量、高重复频率脉冲输出的单纵模2μm激光器发展，并逐渐成为关键技术之一。
首先，可为2μm相干多普勒测风激光雷达及差分吸收激光雷达的研究提供技术支持[3,4]。利用2μm相干多普勒测风激光雷达可以为全球数值天气预报提供准确的风场数据，预防和抵御灾害性天气，为机场上空提供精确的风场检测等。2μm差分吸收激光雷达可以实现局部环境内co2气体的浓度、气溶胶、水汽、臭氧、温度的实时监测，对分子探测的光谱技术不但可以应用到地球观测系统，还可以深入应用到其他星球中大气微量气体的检测当中。
其次，可用于激光成像雷达[5]。激光成像雷达是通过发射激光对目标照射，通过对接收到的目标激光反射信号处理，直接快速获取目标特征参数（距离、表面反射率、轮廓等），具有分辨率高，抗干扰、隐蔽性强等优点，可广泛用于目标搜寻、识别与跟踪、城市规划等。
2. 研究的基本内容
基于对上述文献取得成果的分析和总结，我们发现目前的单纵模激光器若受到外界扰动的影响，存在谐振腔易失谐的问题，单纵模激光器输出功率会降低，同时频率稳定性也会受到影响，最终会限制激光雷达系统的应用。因此，仍需研制同时具备单纵模功率高、线宽窄、稳定性高及光束质量好的种子光激光器。本课题接下来的研究工作将结合环形腔单向法和角锥棱镜作为腔镜展开。具体的研究内容主要分为以下几个方面：
（1）根据ho:yag晶体的物理及光谱特性，选取合适激光波长的泵浦源，并分析谐振腔内可能出现的自由振荡波长。
3. 实施方案、进度安排及预期效果
| 4.1 实施方案 |
| （1）Ho:YAG晶体物理及光谱特性及泵浦源的选择 YAG晶体，化学式为Ho:Y3Al5O12，中文名称为钇铝石榴石晶体（石榴石结构）。YAG晶体是一种单轴晶体，属于立方晶系。它是光学各向同性晶体，因此它分别只有一个吸收光谱和发射光谱。 但是，在高功率激光运转时，立方晶系结构的晶体吸收泵浦光辐射时，会引起热致双折射，这将导致退偏振损耗增大，从而会影响最终输出激光的功率。这是YAG晶体的一个重要的缺陷。 为了获得百mW量级单纵模激光器功率，将采用增益截面大的单掺Ho激光晶体代替Tm,Ho双掺晶体。通过查阅Ho:YAG晶体在室温下的吸收光谱，我们选择晶体吸收较大的波段激光作为泵浦光源。 （2）为了获得稳定的单掺Ho单纵模激光输出，谐振腔内加入角锥棱镜来提高激光器的抗失调特性。角锥棱镜谐振腔与一般谐振腔不同，一般激光谐振腔的两块腔镜其平行度需要达到角秒量级才能形成激光振荡，即使是调整好的谐振腔，由于外界机械振动、撞击、本身发热、环境温度的变化等会导致谐振腔光轴和腔镜偏移，离开原来位置，产生谐振腔失调，导致激光器功率下降乃至完全不出光，而角锥棱镜谐振腔由于其具有自准直特性，作为激光谐振腔镜可提高谐振腔的抗失谐能力，使得腔内振荡光路不受腔镜倾斜的影响。 （3）激光谐振腔分为驻波腔和行波腔，相比于驻波腔，行波腔具有以下优势：首先，能够消除空间烧孔效应，有利于激光器单纵模运转。分析基于角锥棱镜的Ho:YAG非平面环形腔激光器实现单纵模激光输出的原理，通过计算仿真确定Ho:YAG晶体参数，完成基于角锥棱镜的Ho:YAG环形腔单纵模激光器的设计。 4.2 进度安排 （1）2018.11-2019.1确定研究课题并阅读相关资料翻译相关外文文献；分析Ho:YAG晶体物理、光谱特性，确定Ho:YAG晶体泵浦源。 （2）2019.3-2019.4分析角锥棱镜及角锥谐振腔的特性，设计基于角锥棱镜的Ho:YAG环形腔单纵模激光器。 （3）2019.4-2019.5 通过软件模拟分析基于角锥棱镜的Ho:YAG环形腔单纵模激光器实现单纵模输出的原理，完成论文的初稿。 （4）2019.5-2019.6对论文进行修改并完稿，准备答辩。 4.3 预期效果 设计出抗失谐能力高的2μm波段的线偏振单纵模激光输出。 |
4. 参考文献
[1][1]林志锋, 高明伟, 高春清, 激光二极管端面抽运tm:yag激光器[j]. 中国激光，2007，34（2）：181~185.
[2]余胜利. 端面抽运tm, ho: ylf连续激光器参数优化及热效应研究[d]. 哈尔滨工程大学, 2007.
[3] c q gao, z f lin, m w gao, et al. single-frequencyoperation of diode-pumped 2 μm q-switched tm: yag laser injection seeded bymonolithic nonplanar ring laser[j]. applied optics, 2010, 49(15): 2841-2844.
