摘要：激光增益介质一般包括固体（例如Nd~(3+):YAG、Yb~(3+):YAG）、半导体（例如GaAs、InP）、液体（例如有机染料溶液、掺Nd~(3+)无机液体）、气体（例如CO_2、He-Ne）等。传统上，这些增益介质都是体材料或块材料。近年来，半导体纳米晶体材料（量子点）作为激光增益介质得到了人们的极大关注。量子点由于其特殊的量子限域效应、量子尺寸效应等，使得其展现出与普通体材料完全不同的光学、电学特性，例如其发光谱由连续谱变为分立的离散谱、发光波长与其尺寸有关、显著的斯托克斯频移，等等，使得其在光电子增益型器件（光放大器、激光器）、太阳能电池、生物医学、示踪剂等方面开拓了及其广阔的运用前景。本论文主要围绕先进制造技术中的加工源――激光器开展工作。由于激光加工光源通常为红外激光器，由此，本论文以红外激光增益介质材料制备入手，制备了PbSe量子点玻璃和量子点光纤。提出了新型的波长可调谐的光纤激光器――PbSe量子点光纤激光器（QDFL），浅析了其动力学机理，进行了数值计算和模拟，得到了量子点光纤激光具有掺杂饱和浓度低、光纤饱和长度短、泵浦效率高等特点，然而，光纤温升较为显著。同时，针对目前普遍有着的大功率横流CO_2激光光束质量不足展开探讨，论述浅析了其横模的形成机理，建立了较为完整的激光能级粒子数速率方程，进行了数值计算和模拟，得到了电极结构和气体流速是影响激光横模和功率主要因素的结论。主要工作如下：1.采取ZnSe代替Se作为PbSe量子点的硒源，通过高温熔融-热处理法，成功制备了较高浓度的PbSe量子点硅酸盐玻璃。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、荧光光谱（PL）等策略对PbSe量子点玻璃进行表征。结果表明，制备的PbSe量子点在玻璃中的含量高，且PL峰值强度和FWHM大。同时探讨不同热处理条件对量子点尺寸和荧光发射的峰值波长、半高宽和辐射强度的影响。2.采取高温熔融-热处理法尝试制备PbSe量子点碲酸盐玻璃。通过XRD等策略进行检测，结果表明，碲酸盐玻璃中没有PbSe量子点晶体析出。我们总结浅析了实验结果，并对形成理由做了探讨。3.采取熔融拉丝法，将PbSe量子点硅酸盐玻璃拉制成量子点光纤。用光学显微镜、XRD和TEM等策略对其进行了观测与浅析。结果表明，制备的光纤直径均匀、表面光滑、直径与普通光纤接近（125μm）。通过热处理后，光纤中含有一定量的PbSe量子点，其机械性能与普通的SiO_2光纤差不多。4.利用PbSe量子点作为光纤激光增益介质，基于PbSe量子点的吸收和发射谱，建立了二能级系统的粒子数速率方程、光传播方程和热传导方程，并数值求解之，探讨了不同泵浦方式对QDFL输出功率的影响，浅析了QDFL的温度分布特点，发现QDFL的温度远高于传统的掺镱光纤激光器，提出了改善QDFL热效应的案例。5.针对大功率横流CO_2激光器管板式电极结构，由麦克斯韦方程给出电场空间分布，据此求解时空分布的激光能级粒子数速率方程，得到了激光强度的横向分布。实验测量了激光横模，实验结果与数值模拟得到的激光能量分布基本一致。结果表明电极结构决定了激光横模峰值大小，而气体流动速率影响激光增益峰值和峰值沿气流方向出现的位置。本论文的工作为探讨和发现新的红外激光增益介质，探讨其激射产生的机理，以而为今后进一步实际研制新型量子点红外激光器提供依据。对大功率CO_2横模机理的浅析和探讨，有助于改善和制约激光横模，提升激光方式的稳定性，以而提升激光加工的质量。关键词：纳米晶体量子点论文量子点制备论文PbSe量子点玻璃论文量子点光纤激光论文CO_2激光论文激光横模论文
摘要5-7
ABSTRACT7-11
第1章 绪论11-30
1.1 半导体量子点材料介绍11-21
1.1.1 量子点的特性11-12
1.1.2 量子点材料制备12-16
1.1.3 量子点材料的光学性能16-19
1.1.4 量子点材料在工业制造中的优势19-21
1.2 CO_2激光器及光纤激光器进展近况及运用21-24
1.2.1 CO_2激光器进展近况及运用21-23
1.2.2 光纤激光器进展近况及运用23-24
1.3 量子点激光器进展近况24-26
1.4 本论文选题目的和作用26-28
1.5 本论文探讨的主要内容28-30
第2章 较高浓度PbSe量子点硅酸盐玻璃的制备及表征30-44
2.1 较高浓度PbSe量子点玻璃的制备31-34
2.1.1 配方选择31-32
2.1.2 制备历程32-34
2.2 较高浓度PbSe量子点玻璃的表征34-43
2.2.1 表征策略及设备34-37
2.2.2 实验结果及浅析37-43
2.3 本章小结43-44
第3章 PbSe量子点碲酸盐玻璃制备44-49
3.1 PbSe量子点碲酸盐玻璃配方选择44-45
3.2 制备历程45-48
3.3 本章小结48-49
第4章 PbSe量子点光纤的制备与初步探讨49-57
4.1 量子点光纤制备49-50
4.2 实验结果与浅析50-55
4.2.1 机械性能浅析50-53
4.2.2 XRD和TEM浅析53-55
4.3 本章小结55-57
第5章 双包层大功率PbSe量子点光纤激光数值模拟57-79
5.1 原理和模型58-66
5.1.1 光纤激光结构58-59
5.1.2 PbSe的光谱特性59-61
5.1.3 动力学历程61-63
5.1.4 温度方程63-66
5.2 计算结果及浅析66-78
5.2.1 泵浦方式对激光输出影响66-69
5.2.2 泵浦方式对光纤饱和长度影响69-70
5.2.3 泵浦方式对温度特性影响70-75
5.2.4 降低光纤端面温度措施75-76
5.2.5 量子点掺杂密度和光纤饱和长度优化76-78
5.3 本章小结78-79
第6章 大功率横流CO_2激光横模测量及数值模拟79-114
6.1 激光结构79-83
6.2 激光动力学历程83-98
6.2.1 激励历程83-91
6.2.2 弛豫历程91-98
6.3 激光横模测量98-100
6.4 激光横向形成机理探讨100-112
6.4.1 电场分布100-103
6.4.2 粒子数速率方程103-107
6.4.3 数值计算结果及讨论107-112
6.5 本章小结112-114
第7章 结论与展望114-117
7.1 结论114-115
7.2 展望115-117
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