（光學(xué)專業(yè)論文）全固態(tài)激光器件的特性研究.pdf

摘要 全固態(tài)激光器件的特i 生研究 中文摘要 激光二極管( l d ) 泵浦的摻n d 離子激光器一直是激光研究領(lǐng)域的熱點之一，特 別是其三條特征發(fā)射譜線的倍頻激光波長正處于三基色激光的波段，更使其成為新的 研究熱點，再加上其效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出穩(wěn)定、壽命長等特點，在工業(yè)、科研、 國防軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文利用大功率l d 作為泵浦源，分別泵浦 n d ：w 0 4 和nd = y a g 晶體，并利用c r 4 十：y a g 晶體作為飽和吸收體，在產(chǎn)生1 0 6 4 m 高峰信功率的準連續(xù)激光和連續(xù)9 4 6 i l i l l 激光的基礎(chǔ)上，分別利用k t p 和l b 0 晶體 進行了腔內(nèi)和腔外的倍頻的理論和實驗研究，獲得了高峰值功率的5 3 2 i 皿準連續(xù)綠 光和4 7 3 n n l 連續(xù)藍光輸出。本論文主要內(nèi)容有： 1 回顧了全固態(tài)激光器的歷史和發(fā)展過程，與二極管激光器和固體激光器對比 介紹了全固態(tài)激光器的主要優(yōu)勢和適合l d 泵浦的激光晶體的主要特性，總 結(jié)了全固態(tài)激光器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向及本論文的主要研究內(nèi)容。 2 對n d ：y v 0 4 晶體激發(fā)l0 6 4 m 的激光特性進行了系統(tǒng)地研究，從速率方程出 發(fā)，結(jié)合c r 4 + ：y a g 可飽和吸收的特性，對其準連續(xù)激光輸出特性進行了理 論研究，給出了脈沖的峰值功率、重復(fù)頻率的計算公式：并通過討論熱透鏡 效應(yīng)以及模式匹配對激光器輸出特性的影響，在實驗中得到了高峰值功率 ( 1 8 k w ) 、高平均輸出功率( 4 2 3 w ) 和窄脈寬( 8 n s ) 的準連續(xù)1 0 6 4 1 1 i n 激 光輸出；最后，對輸出功率隨著泵浦功率下降的現(xiàn)象進行了解釋。 3 根據(jù)倍頻原理和相位匹配原理，結(jié)合k t p 的倍頻光學(xué)特性，在大功率被動 調(diào)q n d ：w 0 4 激光器的基礎(chǔ)上，采用腔外倍頻的方法獲得了高重復(fù)頻率 ( 2 1 k h z ) 、窄脈沖寬度( 1 3 n s ) 的5 3 2 m 綠光輸出；腔內(nèi)倍頻時獲得的最大 平均輸出功率為6 8 4 m w ，計算得到的峰值功率為3 0 8 k w ，遠遠高于腔外倍 頻時的( 7 5 0 w ) ，我們對這種情況作了分析。在腔內(nèi)倍頻條件下，比較了準 連續(xù)光和連續(xù)光泵浦時，輸出綠光的特性：連續(xù)光泵浦時，閾值僅為10 2 w ， 但是總的輸出水平不高；準連續(xù)光泵浦時的閾值雖然高，但其輸出的平均功 率增加得很快。 摘要 4 介紹了藍光激光器的歷史、國內(nèi)外已取得的成果和面臨的難題，詳細論述了 nd = y a g 晶體的激光特性和9 4 6 n m 激光起振的條件。先進行的是l d 泵浦 n d ：y v o n l b o 腔內(nèi)倍頻實驗，由于激光晶體鍍膜沒達到預(yù)定的要求，實驗 中沒有實現(xiàn)藍光輸出。后來采用l d 端面泵浦n d ：y a g 幾b o 腔內(nèi)倍頻，實現(xiàn) 了4 7 3 n m 連續(xù)藍光輸出，得到最大平均輸出功率為8 7 6 m w ，斜效率為1 1 ， 倍頻轉(zhuǎn)換效率為1 2 。與同類實驗相比，雖然得到的藍光輸出功率不高，但 從中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，進行了相應(yīng)的討論，為以后的實驗積累了一定的基 礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 全固態(tài)激光器，n d ：w 0 4 ，c r 4 + ：y a g ，被動調(diào)q 倍頻，相位匹配，n d ：y a g ，l b o ，k 1 1 p 分類號：0 4 3 7 摘要 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f a l ls o l i d s t a t el a s e r s a b s t r a c t d i o d e p 啪p e d ( l d ) a u s o l i d s t a t el a s e r sh a v eb e c o m e ac e n t r a lo ff o c u si nt h e6 e l d o fl a s e r sd u et 0t h e i rm a n ya d v a i l t a g e ss u c ha s1 1 i 曲e m c i e n c 弘c o m p a c m e s s ，h i 曲s t a b i l i 娥 a n d l o n gl i f e t i m e t h c y a r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t 吼s c i e n t m cr e s e a r c h ，n a t i o n a l d e f e n c ea i l dm i i i t a r y ，m e d i c a it r e a 恤e m ，e t c h e r e ，、v eu s eh i g hp o w e rl da sp u m p r e s o u r c e m a k e 廿l en d ：y v 0 4 ，nd ：gl a s e r sb a s e ，鋤do b t a i n e dt l l es e c o n dh a h n o i l i o u s g e n e r a t i o no f 胖e n 砒h l i 曲p e a kp o w e ra t 5 3 2 ma r i d b i u ei i g h ta t4 7 3 1 1 1 i lu s i n g n o l l l h l e a rc r y s t a l s _ k t pa 1 1 dl b o ，r e s p e c t i v e l yt h ec o n t e n t sa r eo u t l i n e da sf o l l o w e d ： 1 w ef e v i e wm e h i s t o r y a n d d e v e l o p m e n t o f d i o d e p u m p e d a l i - s o i i d s t a t e l a s e r s ( d p s l ) ；i i m o d u c e i t sm a i na d v a n t a g e sc o m p 觚e dw i t hd i o d el a s e r sa 1 1 d s o l i dl a s e r s ，a n dv a r i o u si a s e r 塒a t e r i a l su s e di nd i o d ep u m p e ds o l i d s t a t cl a s e r s ； s 咖a r i z et l l em a i n 印p r o a c h e sa i l dt b ep r o s p e c to fd p s la i l dt 1 1 em a i nc o n t e m s o f t h i sd i s s e r t a t i o ni so u t 王i n e d 2 b a s e do nn l e e q u a t i o n s o fv e l o c j t y ，at 1 1 e o r e t i c a l a n a l y s i s a i l dn u m e r i c a l s i r n u | 撕gm e t h o do fp e a kp o w e ra i l dr c p e t i t i o nm t co fp u i s ec o n s i d e r i n gt h e c l a r a c t e r i s t i co f 血es a t 啪t e da b s o r b e r r 4 + ：y a ga r ep r e s e n t e d w ed i s c u s sm e i n n u e n c eo n 血ea v e r a g eo u t p u tp o w e ri f 血e 西e n n a ii e n s e sa i 】dm o d em a t c h i n g 盯et a k e ni r l t oa c c o u m am a ) 【i m 岫o f4 2 3 wo fa v e r a g eo u t p u t ，l8 k wo fl l i 曲 p e a 玉【p o w e ra f l d 8 n so fp u i s e 淅d mi nt h ew a v e l e n g mo f1 0 6 4 螄h a sb e c n o b 詛i n e d w i t h 2 1 1 wd i o d ep u m p i n g p o w e r i n n d ：y v 0 4 a t l a s t ，w e a n a l y z e d t h e r e s u i t 、v _ h i c ha v e r a g e o u t p u tp o w e r d e c i i n e dw h i i ep u m p p o w e ri n c 豫讎d 3 a c c o r d i n gt ot l l ep r i n c i p l eo fp h a s em a t c h i l l ga n d 丹e q u e n c yd o u b l i n ga i l d 、) l ，i t l t h eo p t i cc l a r a c t e r i s t i co f k t p c r y s t a l ，姍wp u l s ew i d 血( 1 3 璐) ，h i g hr e p e t i t i o n r a t e ( 2 1 k h z ) g r e e nl a s e ra tt h ew a v e l e n g lo f5 3 2 衄h a v eb e e nd e m o n s 仃a t e db y e x t r a c a v i t y 疔e q u e n c yd o u b l i n g 、v i mk t pc r y s t a i i na nn d ：y v 0 4p a s s i v e l y q - s w i t c h e dl a s e la n dm a 菇m u mo fa v e r a g eo u t p u tp o w e r ( 6 8 4 m w ) h a sb e e n o b t a i n e db yi t l 畹a v 時疏q u e n c yd o u b i i n g ，“sp e a kp o w e rr e a c h e st 03 0 8 k w c o l p a r e dw i m 7 5 0 w b ye ) ( n m a v 時船q u e n c yd o u b l i n g f i n a l l y ，w ec o m p a r em e d i 虢r e n tp m p e r t i e so f g r e e nw h e np u m p e db yc w a 1 1 dq c ww h e n p u m p e db y c w ，t h et 1 1 r e s h o l di sj u s t1 0 2 w ，b u ti t si n c r e a s ei ss l o w ；t h o u 曲t h et l l r e s h o l do f q c w i si l i 曲e rm a i lc w i t si n c r e a s ei sf a s t 摘要 4 w er e v l e wt h eh l s t o r y m ed e v e l o p m e n ta th o m e 趾da b r o a d 鋤d l ed i 丘i c u l t p r o b l e m s o fd i l d e - p u m p e da l l s 0 1 i d s t a t eb l u el a s e r s a n dt h e p r i n c i p l e o f 行e q u e n c yd o 出i n ga n dt h ep r 叩e r t yo f n d ：y a gc r y s t a la b o u tt h eo s c i l l a t i o no f 9 4 6 n mh a v eb e e nd i s s e n a t e ds y s t e m a t i c a l i y f i r s tw ep l a l lt ou s en d ：y v 0 4t o g e n e r a t e9 1 4 m n1 i g h t ，e h a v ed e m o n s t r a t e dan d ：y a gl a s e rt h a tp r o d u c e d 8 9 m wo fc w o u t p u tp o w e ra t t h e w a v e l e n g t ho f4 7 3 姍w i t ht h en o n l i n e a r c r y s t a lu 3 0 ，t h es l o p ee m c i e n c yi s1 1 a n dn l ec o n v e r s i o ne m c i e n c yi s1 2 c o m p a r e dw i m s i m i l a re x p e r i m e n t s ，o u rr e s u l ti sn o ts os a t i s 母i n g w eh o p ew e c a n i m p r o v e o u r e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ss ot h a tw e w i l la c h i e v eb e n e ro u t c o m e i ( e yw o r d s ：a l ls 0 1 i d - s t a t e l a s e r s ，p a s s i v e l yqs w i t c h e d ，n d ：w 0 4 ，c r 4 + ：y a g n d ：y a g 疔e q u e n c yd o u b l i i l g ，t 1 1 ep h a s em a t c m n g ，k t p l b o c l c u m b e r ：0 4 3 7 獨創(chuàng)聲明 y5 9 8 9 9 l 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作 及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 ( 注：如沒有其他需要特別聲明的，本欄可空) 或其 他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究 所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 撇黼張 鋤贊榭 簽字日期：2 0 0 4 年年月胡日 簽字日期：2 0 0 4 年年肜7 曰 求燎。隆黃、譬礬磚 豫每翟謄藹 第一章導(dǎo)論 第一章導(dǎo)論 激光是近代科學(xué)史上最偉大的發(fā)明之一。 自從1 9 6 0 年梅曼“。( t m a j n m a n ) 的第一臺紅寶石激光器誕生以來，固體激光 器便發(fā)展起來。上個世紀七八十年代，隨著氣體激光器和液體激光器的發(fā)展，傳統(tǒng) 的燈泵固體激光器由于存在低效率和熱效應(yīng)等缺點，其研究和應(yīng)用受到了很大的限 制。直到八十年代中后期，高平均功率、寬調(diào)諧和二極管激光器( l d ) 泵浦等技術(shù) 的重大突破，帶動了固體激光器的蓬勃發(fā)展。特別是i 。d 泵浦固體的全固態(tài)激光器 ( a l l s o l i d s t a t ei a s e r ) 發(fā)展速度之快尤其令人關(guān)注。它將l d 體積小、效率高 的優(yōu)點和固體激光器壽命長、光束質(zhì)量高的優(yōu)勢結(jié)合起來，成為一種結(jié)構(gòu)緊湊、效 率高、壽命長、光束質(zhì)量好的新型激光器件。目前，激光在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 通訊、國防、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護等領(lǐng)域的應(yīng)用日益深入，全固態(tài)激光器更是以其 獨特的優(yōu)勢在激光領(lǐng)域中獨領(lǐng)風(fēng)騷，已成為激光學(xué)科的重點發(fā)展方向之一。 1 1固體激光器的發(fā)展過程 通常把以固體材料作為工作物質(zhì)的激光器稱為固體激光器。例如，紅寶石激光 器、摻釹離子( n d ”) 的釔鋁石榴石( n d ：y a g ) 激光器、摻釹離子的玻璃激光器 和摻鈦離子( t ，) 的藍寶石激光器( 簡稱鈦寶石激光器) 等。作為2 0 世紀重大科 技成就之一的激光是以1 9 6 0 年世界上第一臺紅寶石激光器的發(fā)明為標志的。4 0 年 來，固體激光器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個階段： 1 6 0 年代的迅速發(fā)展時期 紅寶石( 1 9 6 0 年) 、釹玻璃( 1 9 6 1 年) 和n d ：y a g ( 1 9 6 4 年) 激光器 2 】在這一 時期相繼研制成功。固體激光單元器件和振蕩、放大、調(diào)0 、鎖模和選模等技術(shù)和 應(yīng)用都獲得了迅速發(fā)展。 2 7 0 年代的相對緩慢發(fā)展時期 7 0 年代，氣體和染料等激光器發(fā)展迅速，相比之下，固體激光器的發(fā)展顯得較 為緩慢f 3 1 “。但這一時期在新的固體激光材料開發(fā)、單元技術(shù)研究和應(yīng)用開拓等方 面，仍取得了不少有意義的成果。 第一章導(dǎo)論 3 8 0 年代的復(fù)蘇時期 進入8 0 年代以后，以高功率固體激光器、可調(diào)諧固體激光器和高效率固體激 光器【5 甜，特別是以二極管泵浦固體激光器的迅速發(fā)展為標志，固體激光器進入了 被稱為“復(fù)蘇”的新的發(fā)展時期。 4 9 0 年代的持續(xù)發(fā)展時期 在9 0 年代，固體激光器保持了持續(xù)發(fā)展的勢頭，并不斷開拓重要應(yīng)用領(lǐng)域。 其中，以高功率固體激光器和二極管泵浦固體激光器及其應(yīng)用研究的新進展尤為引 人注目。被稱為具有“里程碑”意義的事件之一是美國勞侖茲一利弗莫爾國家實驗 室于1 9 9 2 年研制成功的千瓦級高功率二極管泵浦n d ：y a g 激光器，其體積僅有葡 萄柚般大小1 7 j 。另一事件是1 9 9 4 年美國能源部宣布批準實施“國家點火設(shè)施” ( n a t i o n a li g n i t i o n f a c i l i 姚簡寫為n i f ) 計劃 8 1 ，擬于2 1 世紀初建成的n i f 是一個 集成多種當代先進固體激光技術(shù)的巨型高能量( 1 8 m j ) 、高功率( 5 0 0 t w ) 、1 9 2 束的閃光燈泵浦釹玻璃固體激光裝置，將用于核聚變，實現(xiàn)點火。 居前，l d 的工作范圍已經(jīng)從最初的幾個單一波長發(fā)展到從可見光到中紅外， 但是綠光以下波段的l d 基本上還處于實驗室水平。作為泵浦固體的l d 主要工作 波長在紅光( a l g 丑i n ，a 1 g a i n p ，6 7 0 6 9 0 1 1 1 1 1 ) 和近紅外( g a a l a s7 9 78 1 0 n m ，1 1 1 g a a s 9 4 0 一9 9 0 姍) 。它們分別是處在摻稀土離子的釹 1 0 07 68 0 8 51 0 6 31 o| c 摻釹的釩酸釔( n d ：y v 0 4 ) 是四方晶體，晶體中激活離子的位置具有低的點對稱 性，離子振蕩強度大。n d ：y v 0 4 在1 0 6 4 岬有較大的受激發(fā)射截面，是n d ：y a g 的 四倍；在8 0 8 n m 附近的吸收帶寬約2 0 n m ，是n d ：y a g 的五倍多；加之吸收峰值高， 所以特別適合于【d 泵浦。而且，n d ：y v 0 4 是一種高雙折射率晶體，易產(chǎn)生偏振光 輸出，可避免泵浦n d ：y a g 出現(xiàn)的熱雙折射現(xiàn)象。詳細的討論放在后續(xù)的章節(jié)中。 摻釹的正鋁酸釔( n d ：y a p ) 屬斜方晶系，具有各向異性的光譜特征，熒光帶 比n d ：y a g 稍寬，在1 3 4 m 的受激發(fā)射截面較n d ：y a g 的大。缺點是難以生長出 高質(zhì)量的晶體，另外由于熱透鏡效應(yīng)很嚴重，限制了它的推廣和應(yīng)用。 n d = s v a p 和n d ：s f a p 是前幾年報道的新型激光晶體舊1 引。兩者屬六方晶系， 第一章導(dǎo)論 單軸晶，具有偏振光譜各向異性，受激發(fā)射截面和熒光壽命都比較大，泵浦閩值較 低，對連續(xù)泵浦和調(diào)q 運轉(zhuǎn)都很合適。缺點是熱導(dǎo)率低，易出現(xiàn)多疇和開裂，機械 性能差，一般用于小功率器件。 n d ：y a p 屬斜方晶系，具有各向異性的光譜特征，熒光帶比n d ：y a g 稍寬，在 1 3 4 啪處的受激發(fā)射截面比n d ：y a g 的大。但是較難生長出高質(zhì)量的晶體，再加 上嚴重的熱透鏡效應(yīng)，從而限制了它的推廣和應(yīng)用。 2 摻y(tǒng) b 3 + 的激光晶體 y b 3 + 外層僅缺少一個4 f 電子，因此表現(xiàn)出與n d 3 十不同的特性：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和 激發(fā)態(tài)的吸收對激光特性無影響。y b 3 + 摻雜的介質(zhì)通常具有比n d 3 + 摻雜的同樣介質(zhì) 多4 倍以上的上能級壽命，受激發(fā)射截面較大，物化性質(zhì)穩(wěn)定，可高摻雜而無熒光 淬滅。吸收波長9 4 0 n m ，適合i n g a a s l d 泵浦，激光輸出波長為1 0 5 p m ，所以在吸 收和輻射光子能量間的量子虧損非常低，沒有上轉(zhuǎn)換造成的損耗，斜效率可超過 7 0 1 1 4 粕l ，脈沖鈦寶石激光泵浦y b ：k y w 和y b ：k g w 兩種晶體時，斜效率分別達 到了8 6 9 和8 2 7 ；摻y(tǒng) b 3 + 介質(zhì)也是獲得大功率激光的重要材料，s u m i d a 耐 等用4 7 5 0 w 的l d 側(cè)泵y b ：y a g 產(chǎn)生9 5 3 w 激光輸出：最近，c b i b e a u 等在用 1 7 3 3 w l d 端面泵浦y b ：y a g 時，得到了4 3 4 w 連續(xù)激光輸出，調(diào)q 倍頻后得到7 6 w 的5 1 5 m 綠光輸出。 二、過渡金屬離子為激活離子的激光晶體 摻t i 3 + 、c r 3 十等過渡金屬離子的激光晶體作為可調(diào)諧激光晶體，近幾年有大量 報道。表1 2 列出了幾種這類晶體及調(diào)諧范圍。 表1 2 摻過渡金屬離子的激光晶體 c r v s t a lt h n a b l eb a n d ( 啪) c e ：l i c a f2 7 0 3 1 0 t i ：a 1 2 0 3 6 6 0 1 2 0 0 c r ：l i s a f7 6 0 9 8 0 c r ：l i c a f7 2 0 一8 5 0 c r ：b e a l 2 0 3 7 0 1 8 5 8 6 第一章導(dǎo)論 近年來，l d 泵浦的全固態(tài)可調(diào)諧激光器是個重要的發(fā)展方向。目前主要有 兩類：一類是l d 泵浦n d ”激光器倍頻產(chǎn)生綠光，再泵浦鈦寶石激光器，產(chǎn)生紅光 和近紅外可調(diào)諧激光：另一類是用紅光或紅光波段的l d 直接泵浦摻c r ”的固體介 質(zhì)或色心晶體，產(chǎn)生可調(diào)諧激光。由于c r ：l i s a f 晶體熒光壽命長達6 7 s ，是鈦寶 石的2 0 倍，在可見波段的吸收比鈦寶石寬，并可用紅光l d 直接泵浦，是目前研究 最熱門的全固態(tài)可調(diào)諧激光晶體之一。 1 4 全固態(tài)激光器的研究熱點和發(fā)展前景及本論文的主要內(nèi)容 高效大功率l d 的出現(xiàn)以及新型激光晶體和頻率變換技術(shù)的成熟，大大激發(fā)了 人們研究開發(fā)全固態(tài)激光器的熱情。總結(jié)近些年來全固態(tài)激光器的發(fā)展和研究現(xiàn) 狀，我們認為d p s l 器件的研究熱點和發(fā)展方向主要有以下幾點： 一、全固態(tài)可見光激光器。藍光除n d ：y a g 的9 4 6 衄譜線倍頻外【2 0 2 3 1 ，還有 近紅外l d 直接倍頻【2 4 、2 5 1 ，t i ：s 印p h i r e 【矧、c r ：“s a f 【2 7 j 等近紅外輸出的倍頻以及通 過參量【2 8 】、和頻 2 明等方法的過程獲得。全固態(tài)綠光激光器的研究已經(jīng)從實驗室走向 市場化，從m w 量級到w 級的全固態(tài)綠光激光器都有產(chǎn)品面世。前些年全固態(tài)紅 光的研究比較少，但是近幾年出現(xiàn)了彩色印刷、顯示等巨大的潛在市場，使紅光的 實用價值越來越受到關(guān)注。 二、中紅外激光器。摻鈥、銩、鉺等稀土離予泵浦的中紅外參量激光器近幾年 研究較多3 0 42 1 ，主要是基于2 岬附近激光在大氣遙感、醫(yī)療等方面的應(yīng)用價值，是 當前全固態(tài)激光研究領(lǐng)域的重要方向之一。 三、單頻激光器。單頻激光器是高精度光譜和原子物理研究中不可缺少的光源， 也是相干光學(xué)測量如光雷達及光通信等應(yīng)用的核心器件。獲得單頻的技術(shù)方法比較 多，如環(huán)形腔、微片腔、短程吸收和腔內(nèi)加波片或標準具等。 另外，非線性晶體材料及周期性和準周期性疇反轉(zhuǎn)l i n b 0 3 、l i t a 0 3 、k t p 、 m g o ：l n 等材料應(yīng)用于全固態(tài)激光器，通過倍頻、和頻以及參量等變頻過程，在頻 域上擴展了d p s l 的波長范圍。飽和吸收器，尤其是半導(dǎo)體飽和吸收器和c r 4 + ：y a g 、 v ”：y a g 應(yīng)用于全固態(tài)激光器，在時域上擴展了d p s l 的脈沖范圍。還有二極管泵 清的光纖激光器由于在光通訊方面的應(yīng)用前景，也是研究比較多的一個方向。 第一章導(dǎo)論 本論文第一章回顧了全固態(tài)激光器的歷史和發(fā)展過程，與二極管激光器和固體 激光器對比介紹了全固態(tài)激光器的主要優(yōu)勢和適合l d 泵浦的激光晶體的主要特 性，總結(jié)了全固態(tài)激光器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向及本論文的主要研究內(nèi)容；第二章 對n d ：y v 0 4 晶體激發(fā)1 0 6 4 m 的激光特性進行了系統(tǒng)地研究，從速率方程出發(fā)，結(jié) 合c r 4 十：y a g 可飽和吸收的特性，對其準連續(xù)激光輸出特性進行了理論研究，給出 了脈沖的峰值功率、重復(fù)頻率的計算公式；并通過討論熱透鏡效應(yīng)以及模式匹配對 激光器輸出特性的影響，在實驗中得到了高峰值功率( 1 8 k w ) 、高平均輸出功率 ( 42 3 w ) 和窄脈寬( 8 n s ) 的準連續(xù)1 0 6 4 n n l 激光輸出：第三章以n d ：y v 0 4 c 廣：y a g 被動調(diào)q 激光器為基礎(chǔ)，結(jié)合k t p 的倍頻光學(xué)特性，采用腔外倍頻的方法獲得了 高重復(fù)頻率( 2 l k h z ) 、窄脈沖寬度( 1 3 n s ) 的5 3 2 1 1 r 1 1 綠光輸出。腔內(nèi)倍頻時獲得的 最大平均輸出功率為6 8 4 m w ，計算得到的峰值功率為3 0 8 k w ：第四章介紹了藍光 激光器的歷史、國內(nèi)外已取得的成果和面臨的難題，詳細論述了n d ：y a g 晶體的激 光特性和9 4 6 n m 激光起振的條件。采用l d 端面泵浦n d ：y a g 見b o 腔內(nèi)倍頻，實 現(xiàn)了4 7 3 衄連續(xù)藍光輸出，得到最大平均輸出功率為8 7 6 m w ，斜效率為1 1 ，倍 頻轉(zhuǎn)換效率為1 2 。 8 第二章大功牢n d + w o c 一+ y a g 被動調(diào)q 激光器 第二章大功率n d ：y v 0 。c r ”：y a g 被動調(diào)0 激光器 調(diào)q 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)翊是激光發(fā)展史上的一個重要突破，其特點是把激光能量 壓縮在寬度極窄的脈沖中發(fā)射，使光源的單色亮度提高幾個數(shù)量級。它的基本原理 是通過某種方法使諧振腔的損耗按規(guī)定的程序變化，使諧振腔在極短的時間內(nèi)輸出 一個巨脈沖。常用的調(diào)q 方法有：轉(zhuǎn)鏡調(diào)q 、電光調(diào)q 、聲光調(diào)q 及飽和吸收調(diào)q 等。本章我們給出了一般的調(diào)q 理論，然后討論了熱透鏡效應(yīng)對脈沖輸出特性的影 響，對大功率l d 泵浦的n d ：y v 吼以c r “：y a g 作為可飽和吸收體的被動調(diào)q 激光器進 行了實驗研究，得到了高峰值功率( 埔k w ) 、高平均輸出功率( 4 2 3 w ) 、窄脈寬( 8 n s ) 的準連續(xù)1 0 6 4 n m 激光輸出。 2 1 調(diào)q 技術(shù)的概況 自世界上第一臺激光器誕生之日起( 1 9 6 0 年) ，人們就對激光器及其相關(guān)方面 的發(fā)展傾注了極大的熱情。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，激光器尤其是固體激光器在工業(yè)激 光材料加工、激光醫(yī)學(xué)、激光化學(xué)、科學(xué)研究與發(fā)展以及國防軍事等方面獲得了廣 泛的應(yīng)用。隨著社會的不斷進步，人們對激光器的特殊要求多了起來。例如，在激 光測距、激光雷達和激光材料加工等方面，人們需要峰值功率高、脈寬窄的激光器； 而普通脈沖激光器的峰值功率只有幾十千瓦，脈寬只能達到微秒或亞微秒的數(shù)量 級。如果增大泵浦功率，只是增加了輸出脈沖個數(shù)，達不到提高峰值功率的目的。 調(diào)q 技術(shù)的出現(xiàn)是激光發(fā)展史上的一個重要突破。1 9 6 1 年，哥倫比亞大學(xué)的 h e l l w a n l l 和m c c l i n o j 首次提出：利用能量的貯存和快速釋放可以獲得激光巨脈沖。 通過某種方法使諧振腔的損耗按照規(guī)定的程序變化：在泵浦激勵剛剛開始時，讓腔 處于低q 值狀態(tài)，此時由于腔閾值很高，不能產(chǎn)生振蕩，粒子在激光上能級持續(xù)積 累；當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度達到一個較高的數(shù)值后，在適當?shù)臅r刻使腔q 值突然升高， 腔閾值下降，此時反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，受激輻射迅速增加，在極 短時間內(nèi)，消耗掉能級貯存的大部分粒子，轉(zhuǎn)變?yōu)橹C振腔內(nèi)的激光能量，從而在輸 出端產(chǎn)生一個強脈沖激光。 9 第二章大功率n d ：y v o c ，y a g 被動調(diào)q 激光器 應(yīng)用調(diào)0 技術(shù)，可以大大提高峰值功率，縮短脈沖寬度。1 9 6 2 年研制出的第 一臺調(diào)0 激光器的峰值功率只有6 0 0 千瓦。目前，人們已經(jīng)獲得了峰值功率為兆瓦 級、最小脈寬為幾納秒的脈沖輸出【l ”。 調(diào)o 技術(shù)根據(jù)不同的分類方法可以分為不同類型：按開關(guān)時間與脈沖建立時間 比較可分為快開關(guān)調(diào)q 方式和慢開關(guān)調(diào)q 方式；按控制損耗的形式分為控制反射 損耗的、控制吸收損耗的、控制衍射損耗的、控制輸出損耗的：按調(diào)節(jié)方式還可以 分為主動調(diào)q 和被動調(diào)q 。主動調(diào)q 是利用某些物理原理主動地控制諧振腔內(nèi)光 的損耗以達到q 值突變的目的，被動調(diào)q 是利用被動調(diào)q 元件強烈的非線性效應(yīng) 來實現(xiàn)q 值突變的目的。下面簡要介紹幾種常用的調(diào)q 方式： 1 、轉(zhuǎn)鏡調(diào)q 。是在脈沖固體激光器基礎(chǔ)上用一個被高速馬達帶動旋轉(zhuǎn)的全反 鏡代替原來的固定全反鏡，構(gòu)成了一個q 值作周期變化的諧振腔。轉(zhuǎn)鏡調(diào)q 是發(fā) 展最早的一種q 開關(guān)，由于其開關(guān)時間與脈沖建立時間近似相等，故屬于慢開關(guān)類 型。主要缺點是在高速轉(zhuǎn)動下，機械磨損影響使用壽命，而且需要裝配工藝高，現(xiàn) 在己較少使用。 2 、聲光調(diào)q 。是利用聲光介質(zhì)中的超聲場產(chǎn)生衍射。有超聲場存在時，造成 諧振腔的損耗增大，若突然撤消超聲場，則衍射效應(yīng)自行消失，腔損耗減少。聲光 調(diào)q 屬于快開關(guān)類型，調(diào)制電壓較低，一般能獲得1 6 0 k h z 的重復(fù)頻率，穩(wěn)定性 好：但開關(guān)能力差，輸出脈寬較寬，一般在幾十到數(shù)百納秒，主要應(yīng)用于激光遙感、 測距、雷達等領(lǐng)域。目前，聲光調(diào)q 是獲得巨脈沖的重要技術(shù)手段。 3 、色心氟化鋰調(diào)q 。利用f i f ：f 2 晶體的可飽和吸收特性進行調(diào)q 運轉(zhuǎn)。f 2 心 有四能級結(jié)構(gòu)，在強光泵浦下可出現(xiàn)飽和吸收，其作用與有機染料類似，通過改變 輻射劑量可以改變其透過率。但是其色心容易退化。 4 、被動調(diào)q 。利用非線性飽和吸收介質(zhì)在強激光作用下由于吸收飽和而呈現(xiàn) 透明的特性實現(xiàn)調(diào)q ，有機染料是種典型的非線性吸收介質(zhì)，在強激光作用下由 于吸收飽和而對激光呈現(xiàn)透明。此種開關(guān)裝置簡單，輸出脈寬窄，但穩(wěn)定性差。使 用有機染料作為飽和吸收介質(zhì)時需要經(jīng)常更換染料。目前都在開發(fā)新型的固體可飽 和吸收介質(zhì)作為被動調(diào)q 元件，如c r 4 + ：y a g 晶體。 利用c r 4 + ：y a g 在o 9 1 2 岬l 的可飽和吸收性將其做成此波段的調(diào)q 開關(guān)。輸 出的調(diào)q 激光具有窄脈沖、高重復(fù)頻率的優(yōu)點，非常適合光通訊、激光雷達等領(lǐng)域 的應(yīng)用a 目前，國內(nèi)這方面的研究還停留在實驗室階段。不過，與主動調(diào)0 方式相 第二章大功率n d ：y v o 。c ，+ y a 0 被動調(diào)q 激光器 比，被動調(diào)q 方式不需要外加輔助設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于操作，價格便宜，在 中小功率激光器中被廣泛采用。 2 2n d ：y v 0 。晶體的激光特性 n d ：y v 0 4 晶體是由m i t 林肯實驗室的j r o c o 衄o r 于1 9 6 6 年發(fā)明的【3 】。由于晶 體生長困難、導(dǎo)熱性差，曾一度被人們放棄。八十年代中期，晶體生長技術(shù)的進步 和高性能激光二極管的迅猛發(fā)展，使得n d ：y v 0 4 成為近十幾年來全固態(tài)激光領(lǐng)域 研究最為普遍的一種晶體。 一、n d ：y v 0 4 的晶體結(jié)構(gòu) 摻釹離子的釩酸釔晶體為四方晶體，鋯英石( z r s i o 。) 型結(jié)構(gòu)，屬單軸晶系。 晶體生長過程中用釹離子( n d 3 + ) 取代部分釔離子的位置，n d 3 + 的位置具有低的點 群對稱性，離子振蕩強度大。釩酸釔基質(zhì)對釹離子具有敏化作用，提高了激活離子 的吸收能力。同時n d ：w 0 4 具有很強的雙折射特性( 五f 1 0 6 4 m 時，。- 1 9 5 8 ， = 2 1 6 8 ) 。對口軸切割的晶體，其光場e 矢量平行于晶體光軸方向的7 r c 鍋振( e c ) 和d 偏振( e 上c ) 的光譜特性有明顯的差異，其最強的吸收和輻射都發(fā)生在橢振 取向。因此，一般采用d 軸切割、刀偏振泵浦用以產(chǎn)生最強的線偏振( 刀偏振) 激光輸 出；而且在倍頻時，線偏振的基頻光有利于提高倍頻效率。 二、n d ：w 0 4 晶體的能級結(jié)構(gòu) 圖2 1 給出了n d ：w o 。晶體的能級結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，它與其它摻釹離 子的幾種晶體，如y a g 、y l f 等的能級結(jié)構(gòu)大致相同。圖中激光躍遷過程用粗線 表示，泵浦光譜線用細線表示，波浪線表示無輻射弛豫過程。 泵浦光有8 0 8 姍和8 1 0 m 附近的兩條譜線。泵浦光把粒子從基態(tài)激發(fā)到4 f 5 ，2 能級，但粒子在此能級的壽命非常短( r 一1 0 4 0 s ) ，可通過無輻射躍遷很快地弛豫到 亞穩(wěn)態(tài)4 f 拋能級上。該能級的壽命相對較長( r 一1 0 4 s ) 。四條主要的發(fā)射譜線是： 4 f 3 ，2 ，1 15 ，2 ，4 f 3 ，2 _ 4 1 1 3 應(yīng)，4 f 3 ，2 1 1 l ，2 ，4 f 3 ，2 i 蛇，對應(yīng)的波長分別是：1 8 3 9 啪、 1 3 4 2 砌、1 0 6 4 n 1 和9 1 4 咖。其中1 0 6 4 m 的發(fā)射截面最大。 能級圖右邊為主能級斯塔克分裂的各個子能級及相應(yīng)的能級大小，精確的輻射 躍遷發(fā)生在各個不同的子能級之間。 o 蓄 孽 i 霎。 剖嘲鞠鞠黼隧 墨冪翻黛蕊麟 強 峨 圖2 一ln d ：w 0 4 晶體的能級結(jié)構(gòu) l 翱崤置懸 掣略6 喪皇 捌，搿 鑭獬 鼎瞞孽譬 捌嗤壤描 瞄t ， 垂蛹限 4 黼i 黛 刪帶晦 稍糍 鞋 鞫嘲霹 凜燃。 鬟瞞輔 笠惜 巷 2 鏘嘉 翱蝴 翱峨l 鋪巷鑫 蝴懈 柏拍 2 蚍 嘲魄臻 俐 蠹 三、n d ：y v 0 4 晶體的吸收譜 n d ：w 0 4 晶體吸收截面比較大，吸收帶寬比較寬，這也是它相對于n d ：y a g 晶 體的重要優(yōu)勢。圖2 2 給出了n d ：y v 0 。晶體的吸收譜。 從圖中可以看出，n d ：y v 0 4 晶體的三個吸收峰分別在：5 9 0 n m 、7 5 0 n r n 和8 1 0 n m 附近，其中8 1 0 腳附近的吸收最為強烈，吸收峰值在8 0 8 7 n m ，吸收帶寬約2 0 n m 。 四、n d ：w 0 4 晶體的熒光發(fā)射譜 圖2 3 給出了n d ：w 0 4 的熒光發(fā)射譜線，激發(fā)源是最大輸出功率為1 0 w 的半 導(dǎo)體激光器，在2 5 。c 中心波長為8 0 8 啪，通過調(diào)節(jié)l d 的控制溫度使其發(fā)射波長 定在8 0 8 7 n m ，與n d ：w 0 4 的吸收峰相吻合。 三 圖2 2n d ：y v 0 4 晶體的吸收譜 發(fā)射泌輒m 圖2 3n d ：y v 0 4 晶體的熒光發(fā)射譜 從圖中我們可以看到n d ：y v 0 4 在1 0 6 u m 有很強的增益，它的有效發(fā)射截面大 約為2 0 1 0 。1 9 c m 2 ，是y a g 的3 4 倍，因此它的激光閾值較低，很適合于中小功 率的激光器件。n d ：y v 0 4 在1 0 6 4 “m 的線寬大約為o 8 姍，比y a g 的( 0 6 砌) 稍 微寬一些。n d ：w o 一的熒光壽命決定了它能量儲存的大小，而且與n d 3 + 離子的摻雜 有密切關(guān)系。根據(jù)有關(guān)文獻，隨著n d 3 + 離子摻雜濃度的提高，熒光壽命會下降。 2 3c r ”：y a g 被動調(diào)0 理論研究 c r “：y a g 是1 9 8 8 年出現(xiàn)的新型光學(xué)晶體。它可用作1 3 5 1 5 5 “m 波長范圍內(nèi) 可調(diào)諧的激光晶體，具有與t i ：a 1 2 0 3 相近的激光參數(shù)，可以采用克爾透鏡白鎖模方 法獲得飛秒超短脈沖；同時，c r 4 + ：y a g 也是0 9 1 2 岬范圍的可飽和吸收體，可 用作這一波長范圍內(nèi)激光器的被動調(diào)q 元件。與主動調(diào)q 或其它染料和色心晶體 被動調(diào)q 相比，c r 4 十：y a g 具有吸收截面大、可飽和吸收穩(wěn)定性好、易獲得高摻雜 濃度、使用方便等優(yōu)點，因此很適合高功率連續(xù)或高重復(fù)率激光器調(diào)q ，尤其適合 于小型全固化固體激光器或微片激光器的調(diào)q 。 目前，國內(nèi)外學(xué)者對c r 4 + ：y a g 作為被動調(diào)q 開關(guān)已進行了許多研究。本節(jié)我 們就利用已有的理論對c r 4 + ：y a g 被動調(diào)q 激光器的峰值功率、脈沖寬度和能量進 行了理論研究。 一、速率方程 在推導(dǎo)過程中作一些簡化：因為調(diào)q 脈沖持續(xù)時間很短，為n s 量級，可以忽 略調(diào)q 脈沖形成過程中的泵浦項、自發(fā)輻射項和飽和吸收體的基態(tài)恢復(fù)項。 c ：y a g 基橫模的腔內(nèi)光子數(shù)密度雙，0 可以寫為： 州動力d 一若 協(xié)， r 為空間某點到激光軸上的距離；w 為振蕩激光的光斑半徑，由諧振腔結(jié)構(gòu)決 定；“o ，0 是指激光軸上的光予數(shù)密度。 采用平面波時，c r 4 十：y a g 被動調(diào)q 速率方程為4 】： 黲= 詈卜印，以岫( 舟刁 協(xié)z ， 粵= 一肛彬 ( 2 3 ) 粵= 1 3 c 研i ( 2 4 ) 出 其中媯腔內(nèi)光子數(shù)密度，n 、仉，分別為激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，受激發(fā) 射截面和長度；n 卜分別為飽和吸收體基態(tài)和總粒子數(shù)密度：回3 、毋。分別為飽和 吸收體基態(tài)和激發(fā)態(tài)的吸收截面；厶為飽和吸收體的厚度；為光在諧振腔內(nèi)往返 第二章大功率n d ：y v o 。c r 和：1 m g 被動調(diào)q 激光器 一周的時間；上為激光器的耗散性損耗；偽反轉(zhuǎn)因子，對應(yīng)于平均產(chǎn)生一個光子所 消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)個數(shù)：月為輸出鏡反射率。 在平面波速率方程中考慮腔內(nèi)光強、激活介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度、飽和吸收體的 基態(tài)和激發(fā)態(tài)粒子數(shù)密度的空間分布，得到： 彳塑蛐2 砌 j 西 ( 2 5 ) ：j 里掣b ( 州) f 2 p ， ) f 。一2 k 邶- p ，) 】 2 刀西 掣= 一牌妒( ，r ) ( z _ 6 ) 塑掣一如珈蚶，f ) 沼，) 口( ，d 為激光介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度；，鋤。分別為飽和吸收體的基態(tài)和總 粒子數(shù)密度；品、s 分別為激光光束在激活介質(zhì)處和在飽和吸收體處的光斑半徑。 初始光子數(shù)密度來源于自發(fā)輻射，可以寫成： 妒p ，o ) 1 0 _ 4 妒。p ，f ) 脈沖間隔遠大于飽和吸收體的基態(tài)恢復(fù)時間，因而 玎蹭o ，o ) = ，z 加 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 刪刊啡x p ( 一號 協(xié) 其中，怖為泵浦光在激活介質(zhì)中的平均半徑，h ( 0 ，o ) 是初始時刻激光軸上的反 轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。 把( 2 - 1 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 代入( 2 6 ) 、( 2 7 ) 并積分得： 曲，扣刪c x p ( 一剝e x 卜脅肌x p ( 一若 弦m 咖b 拶p 愕c 扣肌x p ( 一刻 弦 將( 2 1 ) 、( 2 1 】) 、( 2 一】2 ) 代入( 2 5 ) 得 第二童大功率n dw o 。c ，：y a g 被動調(diào)q 激光器 劍 出 ：型訾型酬 o ：f ，jj 4 ( 盯，一仃：。) 吃。伊( o ，f ) 石一 唧( 一若 ：砌 一肛? 砷，r e x 一( _ 吾 c x 一 _ ：，2 去+ 毒 1 z 脅 舛如脅岫一( 一刻 掣心) + n 司 其中乃為飽和吸收體的小信號透過率 瓦= e x p 卜，】3 。) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 方程 第一章人功率n d ：y v o c 一+ ：y a g 被動調(diào)q 激光器 p u m pp a 怕r m 圖2 9 激光脈沖重復(fù)頻率 p u m p p o l 舊m 目 圖2 1 0 激光脈沖寬度變化曲線 2 4 【z工蘭。一叱co善一mqm叱 一u j s p i o i n 也 第二章大功率n d ：w 0 4 ，c r 斟y a g 被動調(diào)q 激光器 p u m p 陽w e r 【州 圖2 一l l 激光輸出峰值功率曲線 圖2 一1 2 脈沖寬度1 8 n s ( 8 w ) 第二章大功率n dw o 。c r 4 + ：y a g 被動調(diào)q 激光器 圖2 1 3 脈沖寬度8 n s ( 2 l ，2 w ) 圖2 1 4 激光平均功率輸出曲線 ，vjf5q與魯丁o o 砑e j o 第二章大功率n d ：y v o 。，c ，+ y a g 被動調(diào)0 激光囂 由實驗結(jié)果可以看出，輸出平均功率隨著抽運功率近似成線性增加，而脈沖寬 度隨抽運功率的增加減小，重復(fù)頻率則隨著抽運功率的增加而增大，兩者對峰值功 率增加的作用基本保持不變，于是峰值功率也近似隨抽運功率而線性增大，當抽運 功率增加到2 1 2 w 時，輸出激光平均功率達到4 2 3 w ，脈沖寬度8 n s