硕 士 学 位 论 文掺 钕 无 机 液 体 激 光 特 性 研 究RESEARCH ON LASER CHARACTERISTIC OFNEODYMIUM DOPED INORGANIC LIQUID MEDIUM叶 光 超哈 尔 滨 工 业 大 学2010 年 7 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN248.3国 际 图 书 分 类 号 ： 533.951工 学 硕 士 学 位 论 文掺 钕 无 机 液 体 激 光 特 性 研 究硕 士 研 究 生 ： 叶 光 超导 师 ： 夏 元 钦 教 授申 请 学 位 ： 工 学 硕 士学 科 、 专 业 ： 物 理 电 子 学所 在 单 位 ： 光 电 子 信 息 科 学 与 技 术 系答 辩 日 期 ： 2010 年 7 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Affiliation： Dept. of Opto-electronics informationClassified Index: TN248.3U.D.C: 533.951Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON LASER CHARACTERISTIC OFNEODYMUIM DOPED INORGANIC LIQUID MEDIUMCandidate： Ye GuangchaoSupervisor： Prof. Xia YuanqinAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Physical-ElectronicsScience and TechnologyDate of Defence： July,2010Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要无 机 液 体 激 光 具 有 破 坏 阈 值 高 、 散 热 管 理 高 效 的 优 点 ， 在 科 研 、 医 疗 、 信 息 和军 事 等 领 域 都 有 十 分 重 要 的 应 用 。 传 统 的 液 体 激 光 器 采 用 闪 光 灯 泵 浦 ， 无 法 实 现 吸收 带 与 泵 浦 源 之 间 很 好 的 光 谱 匹 配 ， 因 此 激 光 输 出 效 率 很 低 ， 限 制 了 其 更 为 广 泛 的研 究 和 应 用 。 LD 泵浦下的无机液体激光器在保留了液体激光器优点的同时，解决了 闪 光 灯 泵 浦 中 效 率 低 下 的 问 题 ， 成 为 液 体 激 光 器 发 展 的 一 个 重 要 方 向 。本 论 文 首 先 系 统 综 述 了 无 机 液 体 激 光 器 的 国 内 外 发 展 历 程 及 最 新 研 究 成 果 。 然后 对 液 体 激 光 的 基 本 理 论 进 行 分 析 和 讨 论 。 在 此 基 础 上 ， 进 行 了 掺 钕 离 子 无 机 液 体激 光 介 质 的 研 制 ， 制 备 了 不 同 离 子 浓 度 的 激 光 工 作 物 质 并 对 其 毒 性 和 腐 蚀 性 进 行 了分 析 测 试 ， 针 对 其 危 险 的 毒 性 及 腐 蚀 性 给 出 系 统 的 防 护 措 施 及 实 验 器 材 的 选 择 。在 制 备 了 透 明 度 高 、 均 匀 性 好 、 无 水 、 无 氢 、 纯 净 的 激 光 工 作 物 质 后 ， 本 文 系统 研 究 了 静 止 状 态 下 的 无 机 液 体 激 光 实 验 。 首 先 通 过 测 量 激 光 介 质 的 吸 收 光 谱 、 荧光 光 谱 、 荧 光 寿 命 和 吸 收 系 数 证 明 了 激 光 介 质 可 以 实 现 激 光 输 出 的 可 行 性 。 然 后 开展 了 连 续 LD 泵浦激光实验，但由于严重的热致折射率畸变效应，并未得到激光输出 ， 说 明 连 续 泵 浦 下 的 静 态 液 体 激 光 输 出 还 有 待 进 一 步 研 究 ， 但 通 过 闪 光 灯 泵 浦 出光 实 验 说 明 只 要 能 够 缩 短 泵 浦 脉 冲 时 间 ， 并 有 足 够 的 泵 浦 能 量 ， 激 光 介 质 是 能 够 实现 激 光 输 出 的 。在 充 分 验 证 了 激 光 输 出 的 可 行 性 后 ， 本 文 进 一 步 开 展 了 脉 冲 LD 泵浦无机液体激 光 实 验 研 究 ， 脉 冲 LD 泵浦不仅解决了连续泵浦下热畸变的问题，同时也可以获得 较 闪 光 灯 泵 浦 更 高 的 输 出 效 率 和 单 脉 冲 能 量 。 实 验 获 得 了 脉 冲 LD 泵 浦 下 的 无 机液 体 激 光 输 出 ， 并 对 其 斜 效 率 、 脉 冲 波 形 、 脉 冲 能 量 和 激 光 光 谱 等 特 性 进 行 了 测 量 。通 过 对 不 同 谐 振 腔 参 数 下 的 激 光 输 出 特 性 研 究 ， 得 到 了 最 优 化 的 腔 镜 组 合 及 最 为 合理 的 谐 振 腔 长 度 ， 在 该 条 件 下 单 脉 冲 输 出 能 量 可 达 32.9mJ， 光 -光 转 换 效 率 达 到15.5%。在 系 统 分 析 了 导 致 静 态 无 机 液 体 激 光 介 质 无 法 实 现 高 平 均 功 率 激 光 输 出 的 主要 原 因 后 ， 本 文 确 定 了 采 用 循 环 流 动 激 光 介 质 进 行 高 能 激 光 实 验 的 必 要 性 。 首 先 进行 了 完 善 了 循 环 系 统 设 计 和 泵 浦 光 耦 合 分 析 ， 利 用 该 循 环 系 统 开 展 了 循 环 流 动 下 的无 机 液 体 激 光 实 验 研 究 ， 测 量 了 流 动 状 态 下 的 激 光 光 谱 、 激 光 脉 宽 和 转 换 效 率 。 采-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文用 循 环 状 态 下 的 激 光 介 质 ， 泵 浦 重 频 100Hz， 泵 浦 光 功 率 26.2W 时 ， 得 到 了 最 大 化的 液 体 激 光 输 出 功 率 1.17W。 最 后 通 过 对 不 同 泵 浦 重 频 下 的 激 光 输 出 特 性 和 激 光 稳定 性 研 究 证 明 本 文 设 计 的 循 环 系 统 能 够 满 足 循 环 流 动 无 机 液 体 激 光 器 要 求 ， 通 过 进一 步 改 进 能 够 具 有 实 用 化 的 发 展 前 景 。关 键 词 无 机 液 体 激 光 器 ； LD 泵 浦 ； 热 致 折 射 率 畸 变 ； 循 环 流 动- II -哈 尔 滨 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractThe inorganic liquid laser has various advantages such as high destroyed thresholdand efficient heat management which make it very useful in the field of scientificresearch, medical treatment, information and military. The traditional liquid laser pumpedby flash lamp did not achieve a good spectrum matching between absorption and pumpsources, therefore the laser output efficiency is low which limit their research andapplication. Inorganic liquid laser pumped by LD not only retain the advantages of liquidlaser, but also solve the problem of low efficiency when pumped by flash lamp, and thenbecome one of the important liquid lasers.This paper firstly reviews the domestic and foreign development and research resultof inorganic liquid laser. Then the basic theory of liquid laser is analyzed and discussed.On this basis, the Nd3+ doped inorganic liquid laser medium in different concentrationswas prepared, and the toxicity and corrosion of the medium are analyzed. According tothe test, appropriate preventive measures and experimental equipment were selected.After the preparation of laser medium, this paper has a study on inorganic liquidlaser experiments in static state. Firstly, the absorption spectra, fluorescence spectra,fluorescence lifetime and absorption coefficient were measured which proved itfeasibility of the laser output. Then the liquid laser pumped by continuous LD wasresearched. But due to the severe heat distortion of refractive index effects, we did notget the laser output under continuous pump, which tell us that the static fluid laser outputstill need further study. But through the experiment pumped by flash lamp we proved thatthe laser output can be obtained in the condition of short pulse time and sufficientpumping energy.After proved the feasibility on laser output, the paper further make a research oninorganic liquid laser pumped by pulse LD, which not only solve the problem of heatdistortion caused by continuous pumps, but also can obtain a higher energy efficiencyand single pul