Tm：YAG单纵模激光器稳频技术的研究

论文摘要

近几年2μm固体激光器成为激光成像雷达、多普勒相干测风雷达和测量地球大气浓度和温度变化的差分吸收雷达的首选光源。雷达光源通常要求单纵模、高功率输出。种子激光器（也称为主激光器）提供低功率、窄线宽、单频、稳定的激光输出,一方面给环形腔激光器注入,通过其放大,获得高功率、窄线宽、单模运行、稳定频率的脉冲激光输出;另一方面要和反射回的信号光进行拍频,获得探测信号。这就需要种子光有较好的频率稳定性。本课题探讨2μm单纵模Tm:YAG激光器的稳频系统研究。在查阅大量国内外文献的基础上,本文总结了目前激光稳频工作,尤其是2μm激光稳频的研究现状,分析比较了各种的主动稳频的方法,对无源腔技术的理论做了详细的计算;阐述了2μm单纵模Tm:YAG激光器的理论。运用了准三能级速率方程进行了理论分析,通过对晶体参数计算,得到设计方案。理论上讨论了入射光斑、腔长、输出镜透过率等对激光器输出的影响。同时设计和调试了高精度温度控制器,控制精度在0.01度范围内,在实验上,对激光器进行系统的调试,获得稳定、基横模、单纵模2009nm激光输出,输出功率可达100mW。其次通过减少振动、高精度温控、减少空气流动等方法实现激光器的被动稳频,并对其进行测试,稳定度达到10-7。同时设计和实现了200mm长的共焦腔设计,并在实验中进行了测试,总结了该稳频系统的特点以及搭建和调节光路时所遇到的问题,提出相关解决和改进的方法,并在实验中作了一些有益的实践。本文在理论和实验方面为后续研究工作打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 影响激光器频率的因素
• 1.2 激光频率主动稳定的方法
• 1.2.1 兰姆凹陷稳频法
• 1.2.2 塞曼效应稳频
• 1.2.3 偏频锁定技术
• 1.2.4 导数谱技术稳频
• 1.3 2μm稳频国内外的研究现状
• 1.3.1 国外发展状况
• 1.3.2 国内研究进展
• 1.4 课题研究实际意义及主要内容
• 第2章 稳频技术的原理与仿真
• 2.1 频率稳定度的指标与测量方法
• 2.1.1 频率稳定性和复现性
• 2.1.2 测量频率稳定度的方法
• 2.2 电光相位调制技术
• 2.2.1 贝赛尔函数
• 2.2.2 激光的相位调制
• 2.3 边频稳频技术
• 2.4 双边缘稳频技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 单纵模Tm:YAG激光器的研究
• 3.1 Tm:YAG晶体特性
• 3.1.1 离子的掺杂
• 3.1.2 晶体物理性质
• 3+的Stark能级结构及发光机制'>3.1.3 YAG中Tm³⁺的Stark能级结构及发光机制
• 3.1.4 Tm系统的上转换效应及基态损耗
• 3.2 Tm系统的速率方程理论
• 3.2.1 泵浦光吸收效率
• 3.2.2 横向驰豫效率
• 3.2.3 能量的上转换系数
• 3.2.4 Tm系统的准三能级速率方程
• 3.2.5 Tm:YAG三能级系统激光的阈值
• 3.2.6 Tm:YAG三能级系统激光的输出特性
• 3.3 F-P标准具选单模原理
• 3.3.1 F-P干涉仪基本原理
• 3.3.2 单F-P干涉仪选单纵模原理
• 3.3.3 双F-P干涉仪选单纵模原理
• 3.4 Tm:YAG的单纵模激光器实验
• 3.4.1 实验装置
• 3.4.2 泵浦校正和Tm:YAG自由振荡光输出
• 3.4.3 Tm:YAG功率和单纵模模式输出
• 3.4.4 影响Tm:YAG单纵模输出稳定性的一些因素和解决途径
• 3.5 本章小结
• 第4章 Tm:YAG激光器被动稳频研究
• 4.1 温度变化对频率的影响及理论分析
• 4.1.1 温度引起频率漂移的理论计算
• 4.2 精密温度控制系统设计与调试
• 4.2.1 系统主要器件介绍
• 4.2.2 信号的探测、采集及控制
• 4.2.3 软件的实现
• 4.3 被动稳频实验与测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 Tm:YAG激光器主动稳频研究
• 5.1 200mm长共焦腔的设计和调试
• 5.1.1 共焦腔材料选择和设计
• 5.2 200mm长共焦腔的调试
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢