掺Er倍半氧化物透明陶瓷激光特性研究(2)

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1.2 LD泵浦掺Er固体激光器的热效应问题 3

1.3 本文主要研究内容和创新点 3

2 Er3+离子的能级结构及光谱特性 4

2.1 Er3+离子的能级结构 4

2.2 Er3+离子的光谱特性 7

3氧化镥陶瓷激光器热效应研究 11

3.1热模型建立 11

3.2 MATLAB数值分析 14

3.3 影响热效应的因素分析 17

3.4 改善热效应的方法 19

3.5 小结 20

4总结与展望 21

参考文献 22

致谢 23

1绪论

激光，取自“受激辐射的光放大”简称。与普通非相干光源相比，激光具有亮度高、单色性好、相干性好、方向性好等优势。激光的应用已经遍及科技、军事等社会发展的诸多领域，远远超出了人们的最初预想，并且激光在不断地和众多学科技术交叉融合形成了庞大的应用体系。通常波长在2～5μm范围内的电磁波被称为中红外波段，该波段既具有良好的大气穿透率又包含了许多生物分子的主要吸收峰，同时还恰好处于红外感应区域，因此在军事、医疗等领域均有良好的应用前景。我国对中红外器件和材料的研究刚刚起步，因此，及时开展对该领域的激光技术和材料研究具有重大的实际意义。

1.1研究背景

1.1.1 3μm激光的典型应用

在军事方面，3μm中红外激光对抗武器系统是集告警、跟踪、瞄准、干扰、和致盲功能于一体的新型防御武器系统，能有效干扰红外凝视成像制导导弹，可实现车载、舰载和机载，适用于陆、海、空等军兵种。高功率中红外激光器又进一步应用在反巡航导弹、火箭制导和无人机空域侦查等国防战争平台中。此外，3μm波段的激光在红外对抗领域可用于战术导弹尾焰的红外辐射模拟、激光定向红外干扰等[1]。因此，3μm中红外波段成为军事上急需的波段，也成为了激光武器发展的战略波段。

在医疗方面，人体组织70%的含量是水，而水对3μm波段激光的吸收系数高达104cm-1,因此3μm波段激光对其作用深度仅有微米量级。利用该波段的激光与软组织相互作用，浅层皮肤会急剧升温、瞬间汽化而被分离和精密剥落，具有出血少、精度高、感染机会少、伤口愈合快等优点，既避免了交叉感染、降低了病人的痛处，又可以提高工作效率。另一方面，3μm 波段包含了氮氧化物和CO2 气体的吸收峰。氮氧化物和CO2 是目前生命体征气体研究的主要气体分子，通过分析人体排放的氮氧化物气体诊断病人是否患有呼吸道发炎，分析CO2 气体可以用于识别病人是否被大肠杆菌所感染。这种通过对人体排放的可标识、易挥发性气体的在线检测手段，可以实时的向医疗人员提供反馈信息，迅速的了解人体的健康状况。这种疾病检查方法无需提取血液，效率高，比通过血样对新陈代谢的方式更具优势。

1.1.2 3μm激光的产生方式

目前产生中红外激光的途径主要包括两种，第一种是通过非线性频率转换的方式间接产生，第二种是通过LD泵浦掺杂稀土离子的固体激光器直接产生。频率转换的方式因系统结构相对复杂、体积较大，系统的可靠性和稳定性相应降低，且中红外波段非线性晶体的可用尺寸仍然相对较小，限制了功率的进一步提高，有待于进一步发展。稀土粒子（Er3+、Ho3+、Dy3+）掺杂的固体激光器由于其简单的结构并且在其它波段成熟的高功率技术，成为产生 3μm波段的高功率激光器的有效方案。固体激光器的工作物质由激活粒子和基质两部分通过掺杂工艺形成，在掺杂过程中，激活离子部分取代基质中的阳离子，增益介质的光谱特性取决于激活离子的能级结构和跃迁特性，物化性质和机械性能主要取决于基质材料。常用的基质材料主要包括晶体、玻璃和透明陶瓷。