摘要
基于激光二极管（LD）泵浦的被动调Q固体激光器具有结构紧凑、成本低等优势，在雷达探测、生化检测、激光加工等领域具有重要应用价值。1.34μm波段激光处于人眼安全范围，可以作为人眼安全激光雷达光源，除此以外作为基频光还可以产生670nm、335nm等多种波段激光。但是被动调Q激光器在较高重频输出时会出现脉冲抖动现象，这严重限制了其实际应用。本论文在已有理论基础上结合实验进一步完善并拓展了调Q速率方程，构建了一个较为准确的1.34μm被动调Q激光器的模型，指导了后续实验研究。实验中，我们发现被动调Q激光器输出重频超过一定范围后会出现严重抖动现象，通过优化泵浦光与基模光空间重叠率，压缩了脉冲抖动范围。通过对被动调Q激光器的实验结果和模拟结果进一步研究，发现脉冲抖动的出现是由于高重频下被动调Q激光系统出现由周期态到混沌的非线性现象。我们从定性和定量两方面对系统的非线性动力学分析，揭示了被动调Q系统非线性动力学特征及其演化过程。其主要内容为: 1.为构建一个更加贴合实验的模型，在已有被动调Q理论基础上使用更为接近的四能级模型，并在模型中考虑了晶体内掺杂离子浓度、晶体吸收有效泵浦功率、泵浦光在晶体和可饱和吸收体（SA）处光斑大小、热透镜效应等实际因素;并加入空间重叠率。基于推导出的激光器输出参量（即，脉冲能量、脉宽、峰值功率）表达式，进一步分析各输出参量与腔内增益、损耗之间关系。在模型建立过程中，针对激光晶体的热效应进行分析和模拟，给出了热透镜焦距的表达式和关系曲线。 2.计算了晶体不同位置处的泵浦光斑尺寸，进一步模拟了泵浦光束腰位置和尺寸同空间重叠率关系。选取空间重叠率较高的区间，利用数值模拟研究了此时谐振腔参量（功率、脉宽等）、泵浦功率、空间重叠效应对激光输出特性的影响，并给出了脉冲重频与谐振腔参量的关系。实验中，依据模拟结果对空间重叠率进行优化，抑制1.34μm被动调Q激光器高重频输出时脉冲时间抖动，提高了脉冲抖动的阈值，获得了理论与实验相一致的结果。最终，实现了在220kHz时180ns的时间抖动，在357kHz时200ns的时间抖动，达到了国际先进水平。 3.实验中，我们发现被动调Q激光器重频在超过一定范围后会出现周期态到混沌路径的非线性现象;结合模拟对被动调Q系统的非线性特性进行分析。利用分岔图、三维相图、脉冲时间序列图、延迟映射图Poincare截面和Lyapunov指数等方法从定性和定量两方面对系统进行非线性动力学分析。揭示了激光器出现“稳态-周期态-混沌态”的变化过程，并对周期性间隔（1，2,1…）的脉冲序列现象进行了模拟和分析。结果证明通过优化空间重叠率来压缩高重频脉冲输出的抖动性，实质上是提升了激光器非线性周期态到混沌出现的阈值。
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