2 μm高峰值功率激光在中长波光参量振荡器泵浦和光电对抗领域中具有重要应用。采用线偏振Tm∶YAP激光泵浦Ho∶YLF晶体的技术路线，基于电光调Q技术，通过泵浦光的偏振方向优化，在泵浦功率为15.4 W时，实现了脉冲能量为9.5 mJ、重复频率为100 Hz、脉冲宽度为13.0 ns的2.05 μm激光输出，水平和竖直方向上的光束质量因子分别为1.2和1.3，对应的峰值功率为0.73 MW。该激光器具有峰值功率高、结构简单紧凑的优点，为将来实现更高能量和更高峰值功率的Ho∶YLF激光输出提供了实验参考数据。

长波红外波段的激光在大气中能够低损耗传输,这就使得长波红外激光具有广泛应用的天然优势,其中长波红外激光可用作红外光电对抗光源,特别是随着长波红外探测器的发展,其对相应波段的对抗光源的需求与日俱增。为此设计并搭建波长为2.05 μm Ho∶YLF激光来泵浦长波CdSe光参量振荡器的实验装置,该装置可以输出峰值波长为12.5 μm的高重频长波红外激光。激光器在重复频率5 kHz情况下的平均功率最高达526 mW,Ho∶YLF激光到长波激光的光光转换效率为1.46%,斜效率为23.4%,激光单脉冲宽度为24.4 ns,单脉冲能量为0.1 mJ,单脉冲峰值功率为4.3 kW,X方向的光束质量因子为4.3,Y方向的光束质量因子为3.2。

针对基于航空和航天平台的激光雷达对2 μm波段激光源的特殊需求,设计一种声光调Q、传导冷却(Tm, Ho)∶YLF晶体和波长为2051 nm的激光器。在4腔镜8字形环形谐振腔结构中,采用自主设计的侧面抽运楔形镜波导光学耦合系统实现均匀抽运(Tm, Ho)∶YLF晶体,从而实现高光束质量、百纳秒脉宽和2051 nm波长的调Q脉冲激光的稳定输出。当激光器的输出重复频率为1 Hz时,最高单脉冲能量达到141 mJ,脉冲宽度约为103 ns,此时光-光转换效率达到4.3%,实验测得光束质量因子在x和y方向上分别为1.22和1.08。

以2.05μm Ho∶YLF激光器作为光源,泵浦了长波ZnGeP2 光参量振荡器,实现了高效率、高重复频率的长波激光输出。激光器输出的峰值波长为8.1μm,最大输出功率为3.2W@10kHz,泵浦激光到长波激光的光光转换效率为12%,斜效率为19.3%,激光单脉冲宽度为27.11ns,单脉冲能量为0.32mJ,单脉冲峰值功率为11.8kW,X方向的光束质量因子为4.5,Y方向的光束质量因子为4.2。

为了实现小型化、高功率、高效率连续2 μm激光输出,采用中心波长792 nm激光二极管(LD)抽运双掺杂Tm,Ho∶YLF晶体,将晶体封装在装有350 mL液氮的杜瓦装置中,使其工作在77 K温度条件下。光纤耦合激光二极管出纤功率14.8 W,数值孔径0.3,芯径400 μm。激光二极管端面抽运Tm,Ho∶YLF激光器,产生2.05 μm线偏振连续激光输出,最大功率5.2 W。由于Tm3+离子能级间的交叉弛豫效应导致的高抽运量子效率,实验获得的光-光转换效率为35%,斜度效率达到40%。采用双端面抽运结构,两个激光二极管注入功率29.6 W时,Tm,Ho∶YLF激光器输出功率达10.2 W,相当于光-光转换效率33%,斜度效率36%。

ZnGeP2晶体具有宽的透明范围(0.7～12 μm),较大的非线性系数(d36=75 pm/V),最高损伤阈值能量密度为10 J/cm2,较高的热导率(0.18 W/(m?K)),因而非常适合作为高功率中红外光参量振荡器(OPO)晶体。理论上分析了ZnGeP2 光参量振荡器相位匹配特性,实现3～5 μm连续调谐范围输出的Ⅰ类相位匹配角在52.5～55.2°之间。实验上,以15 W光纤耦合激光二极管(LD)抽运的2.05 μm高重复频率声光调Q Tm,Ho∶YLF激光器作为抽运源,其最大平均功率4 W,脉冲宽度小于40 ns, 脉冲重复频率100 Hz～10 kHz可调。为降低准三能级系统激光器阈值,提高激光脉冲能量抽取效率,Tm,Ho∶YLF晶体采用液氮制冷方式,工作在77 K温度条件下。非线性频率转换晶体ZnGeP2长15 mm,55.7°切割,光参量振荡器谐振腔为平平腔,腔长约20 mm。在3.6 W的抽运功率下,脉冲重复频率10 kHz,实现了4.1 μm附近中红外激光输出,参量光脉冲宽度为20 ns,平均输出功率为0.7 W,光-光转换效率为20%,抽运光阈值功率为0.65 W。

对激光二极管端面抽运Tm,Ho∶YLF晶体声光调Q激光器的激光特性进行了研究。根据粒子跃迁和能量传递过程,在考虑能级传递上转换的前提下,建立了Tm,Ho∶YLF脉冲激光器的速率方程,得到了初始反转粒子数的解析表达式,分析了能量传递上转换效应对激光上能级反转粒子数的影响。在室温下实现了2 μm波长激光的脉冲输出。实验上给出并分析了Tm,Ho∶YLF脉冲激光器的平均输出功率、单脉冲能量和脉冲宽度随抽运功率以及声光Q开关调制频率的变化关系。在抽运功率为2.8 W,重复频率为9 kHz时,获得了平均输出功率为189 mW的激光脉冲,光光转换效率为6.8%。在重复频率为1 kHz时,得到最大单脉冲能量为65 μJ,峰值功率为0.17 kW。

Ho∶YLF晶体的5I7和5I8斯塔克能级分裂数较多,形成2047～2070 nm宽的增益谱带,对于可调谐2 μm激光及宽带激光放大器研究具有重要意义。理论上分析了(Tm,Ho)∶YLF晶体的能级结构,并对晶体掺杂浓度和长度进行了优化。实验研究了激光二极管抽运微片Tm(原子数分数0.06),Ho(原子数分数0.004)∶YLF激光谱线可调谐特性,调谐范围2.0656～2.0671 μm。利用(Tm,Ho)∶YLF晶体的宽增益谱特性,将其作为激光二极管抽运激光放大器,成功地将2.048 μm (Tm,Ho)∶GdVO4激光功率放大了2.5倍。实验上测量了(Tm,Ho)∶YLF晶体在强抽运条件下480～492 nm及530～550 nm可见波段的上转换蓝绿光荧光谱。

从理论上分析了准三能级(Tm,Ho):YLF晶体的增益与温度关系,晶体温度的降低和长度的缩短有利于减小重吸收损耗对激光器运行性能的影响.在室温条件下,用2.7 W波长为792 nm激光二极管端面抽运Tm(原子数分数0.06),Ho(原子数分数0.004):YLF微片激光器,阈值抽运功率为450 W,当入射到晶体内的激光二极管功率为1.88 W时,2 μm激光最大输出功率为328 mW,斜率效率为22.5%,光-光转换效率达17.4%.为达到激光最佳运行条件,还探讨了激光二极管波长,抽运光偏振方向以及晶体温度对Tm,Ho激光器性能的影响.

从速率方程理论出发,得到了抽运功率阈值和激光输出功率的解析表达式.通过钛宝石激光器抽运Tm,Ho:YLF微片,获得90 mW的2 μm波长激光连续输出.得到了抽运功率和输出功率之间的关系以及抽运光与振荡光之间的转换效率关系.同时也给出了温度对激光输出效率的影响.