瓦級(jí)532nm綠光激光器的研究

1、瓦級(jí)532nm綠光激光器的研究the study of watt 532nm green laser摘要全固態(tài)綠光激光器具有效率高、激光輸出光束質(zhì)量好、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、體積小以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，使其在可調(diào)諧激光器的抽運(yùn)源、流場(chǎng)顯示、海洋探測(cè)、光電對(duì)抗、污染檢測(cè)，特別是受控?zé)岷司圩兊尿?qū)動(dòng)器、鈾同位素分離的抽運(yùn)源，以及大功率大能量的激光加工及激光醫(yī)療設(shè)備、激光微加工、激光的軍事應(yīng)用（激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)等）等科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。關(guān)鍵詞：泵浦、綠光激光器、倍頻、聲光調(diào)q、目錄第一章 概述 1.1 綠光激光器的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2 半導(dǎo)體激光器泵浦聲光調(diào)q固體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀. 1.3 論文工作內(nèi)容.

2、第二章 聲光調(diào)q綠光激光器的設(shè)計(jì)理論 2.1 泵浦源. 2.1.1 泵浦源. 2.1.2 泵浦方式. 2.2工作物質(zhì). 2.2.1摻釹釩酸釔（nd:yvo4）. 2.2.2熱效應(yīng). 2.3 聲光調(diào)q. 2.3.1 調(diào)q的基本原理 2.3.2 聲光調(diào)q的基本原理. 2.3.3 聲光調(diào)q的動(dòng)態(tài)特性與輸出特性. 2.4 倍頻晶體. 2.4.1 倍頻晶體 2.4.2 倍頻效率 2.4.3 最佳聚焦第三章 綠光激光器的實(shí)驗(yàn).第一章 概述 全固態(tài)綠光激光器是利用激光二極管（ld）泵浦激光晶體產(chǎn)生在1m附近的振蕩，得到1064nm的激光，再結(jié)合非線性晶體的倍頻獲得532nm的綠光。隨著激光器理論的逐漸完善，

3、ld性能的提高，激光晶體和非線性晶體的發(fā)展，全固態(tài)綠光激光器性能越來越優(yōu)良，正在逐步取代其他類型的綠光激光器在各領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)其市場(chǎng)份額也越來越多。如表1所示1999年2000年2001年2002年2003年千臺(tái)51.871.488.8122.8144.1百萬美元53.685.0100.0118.6135.1表1 全球二極管激光在全固化激光器中的應(yīng)用table1 in the world ,diode laser in the application of all solid state laser1.1 綠光激光器的發(fā)展現(xiàn)狀從二十世紀(jì)六十年代到八十年代期間，人們利用各種非線性晶體材料進(jìn)行內(nèi)

4、腔倍頻nd:yag激光器以獲得綠光光源。1968年，j.e.geusic等人利用ba2nanb5o15，非線性晶體內(nèi)腔倍頻實(shí)現(xiàn)輸出功率為1.1w的綠光；1982年，y.s.liu等人采用類相位匹配的ktp，在調(diào)q內(nèi)腔激光器中，獲得重復(fù)頻率為5khz輸出平均功率為5.6w的綠光；1983年姚建銓院士，利用3.7mm長(zhǎng)的ktp晶體內(nèi)腔倍頻1064nm激光獲得平均功率為11w的綠光，重復(fù)頻率為2.5khz，是當(dāng)時(shí)國(guó)際的最高水平；到1986年，t.m.baer利用gaalas激光二極管泵浦nd:yag內(nèi)腔倍頻獲得幾十mw的綠光輸出，開創(chuàng)了全固態(tài)綠光激光器的先河。同年，山東大學(xué)晶體所利用助溶劑法生長(zhǎng)出4

5、2.54213.6mm的大尺寸ktp晶體，結(jié)束了美國(guó)對(duì)我國(guó)倍頻晶體的出口限制。1987年，姚院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組利用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的ktp晶體內(nèi)腔倍頻技術(shù)獲得了平均功率為34w的國(guó)際最高水平。進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)的高功率、高重復(fù)頻率全固態(tài)綠光激光器得到了空前的發(fā)展。1996年法國(guó)的b.j.le.garree等人采用30個(gè)連續(xù)二極管激光器側(cè)面泵浦單棒，在z型腔中用ktp晶體內(nèi)腔倍頻，雙端輸出重復(fù)功率27khz，106w的高功率綠光，電光轉(zhuǎn)換效率為5.4；1998年eric c.honea等人采用端面泵浦、雙調(diào)q以及v型腔內(nèi)腔倍頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)140w綠光輸出，是目前

6、端面泵浦獲得綠光最高功率；同年，美國(guó)的chang等人報(bào)道，他們采用自行研制的cpc（compound parabolic concentrators）聚光腔，當(dāng)二極管側(cè)面泵浦功率為1180w時(shí)，實(shí)現(xiàn)451w的連續(xù)基頻激光輸出，采用l型諧振腔lbo晶體腔內(nèi)倍頻，實(shí)現(xiàn)了182w的13khz綠光輸出；1999年日本的t.kojima等人采用四鏡z型諧振腔獲得光束質(zhì)量較好的連續(xù)穩(wěn)定的27w綠光輸出；2004年韓國(guó)的jonghoon yi采用z型腔實(shí)現(xiàn)398w泵浦功率下輸出101w的綠光，光光轉(zhuǎn)換效率為25.4，是目前較高的轉(zhuǎn)換效率。近年來，隨著國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體激光器質(zhì)量的提高以及國(guó)外半導(dǎo)體激光器價(jià)格的降低，

7、國(guó)內(nèi)全固態(tài)高功率綠光激光器的研究也有了極大地進(jìn)展。2000年，中科院物理所與山東師范大學(xué)用ld雙向抽運(yùn)nd:yv04晶體，ktp腔內(nèi)倍頻，獲得最大連續(xù)波綠光輸出8.8w，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)31.5；2002年。天津大學(xué)等單位研制了高功率nd:yag倍頻綠光激光器，獲得532nm綠光輸出20w；2003年，天津大學(xué)激光與光電子研究所采用美國(guó)ceo公司的錢1600w半導(dǎo)體抽運(yùn)組件，在抽運(yùn)電流為18.4a，聲光重復(fù)頻率20.7khz時(shí)，獲得了功率大104w的高功率、高重復(fù)頻率532nm綠光輸出，脈沖寬度小于130ns，倍頻效率約為50，不穩(wěn)定度小于1；2006年，王暖讓等采用u型腔，雙聲光q開關(guān)、雙nd

8、:yag晶體棒、單ktp晶體、雙端輸出獲得了重復(fù)頻率為10khz，脈沖寬度優(yōu)于49ns，輸出功率為138w的高功率、高重復(fù)頻率、窄脈寬綠光(532nm)輸出；姚震宇等采用ktp晶體倍頻的l型腔半導(dǎo)體抽運(yùn)nd:yag激光器，獲得了雙端162w的調(diào)q綠光輸出。 1.2半導(dǎo)體激光器泵浦聲光調(diào)q固體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀 1.3論文工作內(nèi)容第二章 聲光調(diào)q綠光激光器的設(shè)計(jì)理論綠光激光器是由激光二極管泵浦激光工作物質(zhì)（如nd:yag和nd:yvo4），形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在諧振腔中形成激光振蕩，得到1064nm的激光，最后經(jīng)過倍頻晶體，輸出532nm綠光。本章介紹下章實(shí)驗(yàn)中激光器的各單元器件：泵浦源、激光工作物質(zhì)

9、、聲光調(diào)q開關(guān)和倍頻晶體及光學(xué)系統(tǒng)。 2.1 泵浦源 2.1.1泵浦源20世紀(jì)80年代以來，固體激光器的發(fā)展較快，出現(xiàn)了幾種新型固體激光器。半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器就是其中一種。與閃光燈泵浦固體激光器相比，主要優(yōu)點(diǎn)為：1. 系統(tǒng)效率高、能量轉(zhuǎn)換效率高。半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50，遠(yuǎn)高于閃光燈。由于泵浦光與固體激光在空間上可以很好地匹配，量子虧損發(fā)熱減??；并且半導(dǎo)體激光器的光譜線窄，激光粒子吸收帶范圍之外的抽運(yùn)輻射造成的基質(zhì)材料的發(fā)熱也完全消除，使得半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生德爾余熱大大降低。目前，半導(dǎo)體激光器的總體效率已達(dá)閃光燈的總體效率的4倍以上。當(dāng)輸出激光的強(qiáng)度相同時(shí)，ld泵浦nd:ya

10、g激光器中晶體的發(fā)熱量?jī)H為閃光燈泵浦系統(tǒng)的13 ，從而使泵浦能量更多的轉(zhuǎn)化為激光輸出，最終提高了系統(tǒng)效率。 2. ,元件壽命長(zhǎng)，激光器結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便。ld陣列的壽命是閃光燈的20倍以上，且半導(dǎo)體激光器泵浦的固態(tài)激光器發(fā)射的激光脈沖多于閃光燈泵浦的固態(tài)激光器。ld輸出光束的方向性和小發(fā)散角是實(shí)現(xiàn)固態(tài)激光器小型化的條件。另外，由于ld泵浦的固態(tài)激光器產(chǎn)生的余熱少，僅空氣冷卻就能達(dá)到制冷的目的，無需冷卻裝置。3. 輸出激光的光束質(zhì)量提高。改變ld泵浦的固態(tài)激光器的工作溫度使中心波長(zhǎng)和固體工作物質(zhì)的吸收峰準(zhǔn)確的重合，減少了產(chǎn)生的熱量，從而降低的熱透鏡，使得光束質(zhì)量得到提高。2.1.2 泵浦方式半導(dǎo)

11、體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)有端泵浦方式和側(cè)泵浦方式。如圖2.1所示。端面泵浦是指ld輸出的空間相干光束沿著光學(xué)諧振腔的軸向泵浦。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質(zhì)，由于半導(dǎo)體激光模式與固體工作物質(zhì)中的激光振蕩模式匹配良好，因此泵浦效率很高，而且這種耦合方式能使土體激光器輸出光斑質(zhì)量高模式好的激光光束。另外，端面泵浦在入射方向的穿透深度很大，增益介質(zhì)對(duì)泵浦光吸收充分，泵浦閥值功率低、效率高。因此，端面泵浦方式在效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量高的固態(tài)激光器中應(yīng)用廣泛。但是端面泵浦方式受到單個(gè)激光二極管輸出功率的限制。側(cè)面泵浦是用ld放置在激光晶體的側(cè)面，將泵浦光從激光晶體側(cè)面泵入晶體中。和端面泵浦方式

12、相比，其優(yōu)點(diǎn)是為泵浦散熱和耦合都提供了較大的表面積，消除了熱效應(yīng)的影響和端面泵浦方式受泵浦區(qū)域尺寸的限制，獲得了較高的輸出功率。百瓦級(jí)以上的固態(tài)激光器都是采用這種方式。側(cè)面泵浦的缺點(diǎn)是泵浦光束與諧振腔基模的模式匹配較差，導(dǎo)致效率低、閥值高。端面泵浦方式分為兩種：1. 直接端面泵浦。它包括三個(gè)部分: 激光二極管泵浦源(由激光二極管陣列、驅(qū)動(dòng)源和致冷器組成) ,光學(xué)耦合系統(tǒng)、諧振腔。泵浦所用的激光二極管陣列出射的泵浦光，經(jīng)由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)將泵浦光耦合到晶體棒上，在晶體棒端面鍍有多層介質(zhì)膜,對(duì)泵浦光的相應(yīng)波長(zhǎng)為高透、而對(duì)產(chǎn)生的激光束的相應(yīng)波長(zhǎng)為高反,腔的輸出鏡為鍍有多層介質(zhì)膜的凹面鏡。 2. 光纖耦合

13、端面泵浦。針對(duì)直接端面泵浦方式的弱點(diǎn)，人們又進(jìn)一步發(fā)展了光纖耦合的端面泵浦。端面泵浦激光器由激光二極管、兩個(gè)聚焦系統(tǒng)、耦合光纖、工作物質(zhì)和輸出反射鏡組成。與直接端面泵浦不同，這種結(jié)構(gòu)首先把激光二極管發(fā)射的光束質(zhì)量很差的激光耦合到光纖中，經(jīng)過一段光纖傳輸后，從光纖中出射的光束變成發(fā)散角較小的、圓對(duì)稱的、中間部分光強(qiáng)最大的泵浦光束。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質(zhì)，由于它和振蕩激光在空間上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由于激光二極管或二極管陣列與光纖間的耦合較與工作物質(zhì)的耦合容易，從而降低了對(duì)器件調(diào)整的要求。而且最重要的是這種耦合方式能使固體激光器輸出模式好、效率高的激光束。2.1.3 耦合方式耦合方式分為3種：1. 近貼式直接耦合。即不需要經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，ld與激光工作物質(zhì)直接耦合。顯然其耦合效率高，但泵浦光與激光很難匹配，容易產(chǎn)生高階模激光振蕩。通常應(yīng)用在吸收系數(shù)較大的nd:yvo4激光介質(zhì)。2. 自聚焦透鏡耦合。自聚焦透鏡耦合是小功率激光器（功率低于1w）最好的泵浦方式。優(yōu)點(diǎn)是可以校正球差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)光束的圓化。3. 圓化光學(xué)耦合系統(tǒng)。這一耦合系統(tǒng)對(duì)泵浦光的光束質(zhì)量要求很高，適用于瓦級(jí)激光器。在下一章實(shí)驗(yàn)裝置中也是使用的這一耦合系統(tǒng)。2.2工作物質(zhì)2.2.1 摻釹釩酸釔（nd:yvo4）摻釹釩酸釔（nd:yvo4）晶體是一