（光学专业论文）半导体gaas做激光被动调q器件及激光器非线性研究.pdf

摘要摘要半导体材料做固体激光器的被动调q 器件和锁模器件用于改善激光器的输出脉宽是近年来国内外研究较热门的课题之一。本文中选用半绝缘非掺杂g a a s基片成功地在脉冲氙灯泵浦的n d ：y a g 固体激光器上实现了被动调q ，当重复频率为1 h z 、激光器闽值附近获得了脉宽6 2 n s ，脉冲能量1 8 m j 的单脉冲调q输出。通过与相同透过率k 9 玻璃为基底的激光器输出镜做比较获得的被动调q 动静比约为1 5 8 。理论分析表明，g a a s 材料做激光器被动调q 器件的原因在于其中的e l 2 深能级缺陷的单电子饱和吸收效应，实验发现经过离子注入处理的g a a s 片比未经离子注入处理的g a a s 可以获得更好的调q 效果。本实验在国内开展的工作还较少，实验新颖之处在于g a a s 片在激光器中既充当被动调q器件，又充当激光器的输出耦合镜，我们的方法具有腔型简单、插入损耗小、调整方便等优点。我们实验的一个初衷是将本课题获得的被动调q 脉冲用于激光频率变换，实现光参量振荡器的小型化和实用化。但经过反复实验后发现，应用g a a s 被动调q 方法得到的光脉冲功率很小，达不到倍频、混频、光参量等激光非线性应用的要求，因此我们变更了实验方案，改用电光调q 激光器做泵浦光源，研制出一台计算机控制的b b o 光参量振荡器，研究重点着眼于光参量振荡器的自动控制方面。实验中运用b b o 的i 类相位匹配方式角度调谐，采用美国光谱物理公司生产的g c r l 7 0 型n d ：y a g 激光器和i c t 激光公司生产的p i a n 0 1 0 0 0 型n d ：y a g 激光器输出的三倍频光( 3 5 5 n m ) 做泵浦光源，获得了调谐范围4 1 0 - 2 6 0 0 r i m 、转换效率最高为2 i 的参量光输出，从晶体长度、泵光注入功率、不同波长参量光输出线宽、不同波长下参量光输出能量等方面系统研究了b b o o p o 的工作状态。为提高o p o 的调谐精度，我们设计了套智能化的调谐控制软件，通过主控计算机控制步进电机带动转台旋转，将b r o 的转角关系转化为准确度很高的步进电机的行进步数，整个系统具有调谐方便、可操作性好、转换效率高等优点。作者在读博期间，在导师的推荐下曾于i c t 激光公司工作过一段时问，期间主要从事闪光灯泵浦n d ：y a g 固体激光器的倍频、混频及光参量振荡器设计摘要等研究，本文第五章介绍了这一部分内容。依据l b o 晶体的温度调谐特性，采用i 类非临界相位匹配方式，探讨了l b o 的倍频工作情况，文中分别给出了n d ：y a g 的两种激光波长( 1 0 6 4 r i m 和1 3 1 9 n m ) 的倍频实验与理论的对比结果，实验结果与理论能较好的符合。虽然人们对激光器倍频的研究已经很深入，但就实验数据与理论的比较分析方面报道并不多，这也是本文的一个独到之处。关键词：g a a s 片；被动调q ；光参量振荡器；激光器倍频摘要a b s t r a c tt h er e s e a r c ho fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l su s e df o rp a s s i v eq - s w i t c h i n ga n dm o d e l o c k i n gd e v i c ei na l ls o l i d s t a t el a s e ri sw i d e l yc a r r i e do u tb ys c i e n t i s ti nr e c e n ty e a r s i no n rw o r kw eh a v es u c c e s s f i f l l ya c h i e v e dc l e a np a s s i v eq s w i t c ho nf l a s hx e n o nl a m pp u m p e dn d ：y a gs o l i ds t a t el a s e rb yu s i n gs e m i - i n s u l a t i o nn o n - d o p e dg a a sp l a t ea sas a t u r a b l ea b s o r b e r t h el a s e rw a so p e r a t e dn e a rt h ec r i t i c a lc o n d i t i o n s ，t h es i n g l ep u l s eh a sad u r a t i o no f6 2 n sa tt h ep u l s ee n e r g yo f18 m j t h er e p e t i t i o nr a t e ，w h i c hi sd e t e r m i n e db yt h er a t eo ff l u s hl a m p ，w a s1h z b yc o m p a r i n go u rr e s u l t s 、v i t ht h ec o n v e n t i o n a ll a s e ru s i n gk 9g l a s sa sa no u t p u tc o u p l e r , w ee s t i m a t e dt h ep a s s i v eq s w i t c he f f i c i e n c ya s1 5 8 t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sp r o p o s e st h a tt h ed e e pe n e r g yl e v e ld e f e c tt h a ti sr e c k o na se l 2i ng a a sm a t e r i a lp l a y sg ni m p o r t a n tr o l ei np a s s i v eq s w i t c h i n go fas o l i d s t a t el a s e r t h e r e f o r e ，w ec a r le n h a n c eq s w i t c hm o d u l a t i o nd e p t hb yi o ni m p l a n t a t i o ni ng a a s ，w i t hi n c r e a s e dd e n s i t yo fe l 2 t i l ln o wv e r yf e wr e s e a r c hh a sb e e nr e p o r t e du s i n gg a a ss e m i c o n d u c t o ra sq s w i t c h i n ge l e m e n t ，o u ri n n o v a t i o ni st h a tw eu s e dg a a ss u b s t r a t ef o rb o t ho u t p u tc o u p l e ra n dp a s s i v e l yq - s w i t c h i n gd e v i c e o u rm e t h o dh a ss e v e r a la d v a n t a g e s ：s i m p l ec a v i t yd e s i g n a t i o n ，m i n i m a li n s e r tl o s sa n de a s ya l i g n m e n t ，f o l l o w i n gt h er e s e a r c ho fe s w i s h e dl a s e r ，o u o r i g i n a li n t e n t i o nw a st oa p p l yt h i sp a s s i v e l yq s w i t c h e dl a s e rp u l s ef o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，a n dt oa c h i e v eac o m p a c ta n dp r a c t i c a lo p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r ( o p o ) u l t i m a t e l y h o w e v e r , a tt h ep r e s e n ts t a g e ，t h ee n e r g ya n dp o w e rd e n s i t yo ft h ep u l s e sa c h i e v e db yg a a sq s w i t c h i n ga r es t i l ll o wf o rn o n l i n e a rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h e r e f o r e ，i n s t e a do fu s i n gt h ep a s s i v eq - s w i t c h e dl a s e r , w eu s ea na c t i v ee s w i t c hl a s e ra so u rp u m ps o u r c et op u m p i n gt h eo p o ，t oc o m p l e t em ys e c o n dg o a lo fr e s e a r c hp r o j e c t i nt h i sw o r k ，t h ea c t i v e l yqs w i t c h e dn d ：y a gl a s e r ( s p e c t r u m p h y s i c sg c r l 7 0 ) w i t ht h ef u n d a m e n t a lw a v e l e n g t ho f1 0 6 4n l nw a su s e da st h ep u m ps 0 1 n c e ，t h eo u t p u to ft h el a s e rw a sd o u b l e dw i t hat y p e ib b oc r y s t a l t h e nt h et l l i r dh a r m o n i c s3 5 5r i mw a sg e n e r a t e da n ds e r v e da sf o rp u m p i n gt h ev i s i b l ea n dn e a ri n f r a r e do p o ，t h eo p e r a t i o np a r a m e t e r so fo p ow e r ei n v e s t i g a t e db yv a r y i n gt h ec r y s t a ll e n g t h ，i n c i d e n tp u m pp o w e r t h el i n e 。w i d t ha n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i g n a la n do u t p u te n e r g yw e r em e a s u r e du n d e rd i f f e r e n to u t p u tw a v e l e n g t h f o rp r e c i s et u n a b i l i t y , w ed e s i g n e da ns o t b n a r eb yw h i c hw ec a nc o n t r o lt h eb b oa n g l ew i t hs t e p p i n gm o t o r w ea c h i e v e dt h ep a r a m e t r i cl a s e ro u t p u tw i t hat u n i n gr a n g eo f4 1 0 2 6 0 0 n ma n dw i t hac o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fu pt o2 1 t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n td a t aa n di i摘璺t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n sw a sm a d e o u rd a t aa g r e ev e r yw e l lw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s t h i sc o u l db ea n o t h e rs p e c i a lc o n t r i b u t i o no f t h i sp a p e r , s i n c el i t t l es t u d yh a sb e e nr e p o s e do nc o m p a r i s o na n a l y s i s d u r i n gm ys t u d yi nb j u zih a v et h ec h a n c et ow o r ki ni c tc o m p a n yw i t ht h er e c o m m e n d a t i o no fm ya d v i s e r t h er e s e a r c he m p h a s e so ns e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n ，f r e q u e n c ym i x i n ga n do p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t i o n r e l a t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ed e m o n s t r a t e di nc h a p t e r5 l b oc r y s t a lw a su s e da st h ef r e q u e n c yd o u b l i n gd e v i c ew h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fn o n c f i t i c a lp h a s em a t c h i n g ，t e m p e r a t u r et u n a b i l i t y , a n dh i g h e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y t h ec o m p a r i s o nb e t w e e no u re x p e r i m e n td a t aa n dt h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n si sr e p o r t e d o u rd a t aa g r e ev e r yw e l lw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s t h i sc o u l db ea n o t h e rs p e c i a lc r e a t i v i t yo ft h i sp a p e r , s i n c el i t t l es t u d yw a sr e p o s e do nc o m p a r i s o na n a l y s i sk e y w o r d s ：g a a ss u b s t r a t e ；p a s s i v eq s w i t c h ；s e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n ；o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：查塑塑日期：兰! 吐12关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：蕉麴四翩签名：壁遂吼地j 兰：。，耋呈三童二，童墼二：，。，。，。一第一章绪论1 1 引言：激光的发明是人类科学发展史上值得特书的一笔，自诞生之日起，激光就为生产技术、科研领域提供了许多精密、快捷、生动的实验手段和方法，对激光的本性的探索也极大的丰富了人们对于现代科学技术的理论认知水平。它以优异的单色性、相干性、方向性和极高的强度等优点截止目前仍然是人们获得高质量光源的唯一途径，并且随着激光技术的飞速发展，激光在国防、医疗、工农业生产、科研、信息、通讯等领域的应用日益深入和广泛，在日常生活中激光的应用也随处可见，可以说激光业已成为人们耳熟能详的现代科学技术的代名词。激光相较于普通光源一个重要的区别在于它能达到极高的功率密度，这可以通过压缩光脉宽的方法来获得。以此为契机，人们发展了各种各样的压窄脉宽的技术，比如激光调q 技术、腔倒空技术、锁模技术、分布反馈技术、激光时域整形技术、光孤子激光技术以及光脉冲压缩技术等等，它们在所能获得的激光脉宽量级、所依据的物理原理、实现系统的复杂程度等方面各不相同，在每年发表的激光论文中，关于激光脉宽压缩技术的文章也不胜枚举，实现激光短脉冲和超短脉冲输出一直是激光研究领域里的热门课题之一。其中，获得纳秒级短脉冲激光在激光测距，激光加工、非线性光学、高速全息照相等领域具有特殊重要的意义，这可以通过调q 技术来实现，它的基本原理是周期性的调制激光谐振腔内的闽值，把激光全部能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而获得一个持续脉宽几个纳秒或者几十纳秒的激光巨脉冲。在调制方法上，可以人为的利用某些物理效应来控制激光腔内的阈值，这种在外界的作用下实现调q 的方式称为主动调q ；也可以利用某些材料本身的可饱和吸收性质来达到q 值的突变，这种方式成为被动式调q 。本论文介绍的就属于被动式调q 范畴，采用离子注入处理的半绝缘g a a s 做可饱和吸收体，最终实现了脉冲氙灯泵浦的n d ：y a g 固体激光器的调q 输出，整套系统具有调节方便、结构紧凑、调q 组件性价比高等优点，但在改善调q 脉冲输出稳定性及提高g a a s调q 器件的抗损伤阈值等方面还有待进一步探讨。1 2 激光器调q 技术概述1 2 1 激光器调q 技术简介大量实验事实表明，一般结构的脉冲固体激光器输出的并不是平滑的光脉冲，而是一群单个脉宽大约o 1 1 1 t s 的尖峰脉冲系列，每个尖峰间隔为数微妙，北京工业大学理学博士学位论文如图1 1 所示，图1 - 1 是美国光谱物理公司生产的g c r l 7 0 型脉冲激光器在重频1 0 h z 时长脉冲工作模式下拍到的示波器波形，氙灯泵浦电压为9 0 0 v ，图中只给出整个脉冲序列里的四个子脉冲，可以看出，每一个脉冲的宽度约为7 0 0 n s ( 半高宽) ，相邻子脉冲的间隔近似等于3 2 p s ，每一个子脉冲都从最小值开始振荡，这是n d ：y a g 激光器自由振荡的特征之一，说明此时激光器以基横模运转。这种现象通常称为激光弛豫振荡，激光器运转状态称为自由运转激光器，它反映了激光振荡过程中的不稳定性，这时增加泵灯的注入电压仅仅增加输出尖峰的个数，相邻尖峰之间的间隔减小，同时尖峰脉冲分布的时间范围更宽，激光输出的时间特性也更差，并且单纯增大泵浦功率结果只是使输出的光脉冲能量增加，而每个脉冲激光功率并不增加，最终仍然不能获得激光巨脉冲。图1 - 1 、g c r l 7 0 型激光器重复频率1 0 h z 下的的自由运转檄光器照片，泵浦电压9 0 0 v ，图中标度：2 p , s d i v 。f i g l 1 p u l s ep r o f i l eo f s p - g c r l 7 0l a s e ro p e r a t i n ga tl o n gp u l s em o d eo f1 0 h z ，w h e r ep u m pv o l t a g ei s9 0 0 、2 p s d i v ，固体激光器中产生弛豫振荡的原因可以解释为：工作物质被泵浦情况下，反转粒子数不断积累，当上能级的粒子反转数超过了激光形成的阈值条件时，激光振荡就可以形成，使腔内光子数增加。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，使之迅速降到阂值之下，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子数重新积累，当超过阈值时，又产生下个激光脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。可见，每个尖峰脉冲都是在阂值附近产生的，激光上能级上的粒子积累达不到最大值就被释放，工作物质不能达到第1 章绪论最大增益，因此影响了激光脉冲峰值功率的提高。由激光原理可知 ”，激光振荡的阈值正比于腔内损耗，反比于谐振腔的q值，即品质因数，q 值越高，激光器越容易振荡。q 可用公式表示如下：o ：型1 1一砌式中n 为介质折射率，九为激光波长，l 为谐振腔长，a 为单程损耗。对于自由振荡激光器，腔内的损耗是确定的，当激光的单程增益大于损耗时，激光就形成。如果采用某种方法，使泵浦阶段腔内的单程损耗a 增大，降低q 值，促使激光振荡不能形成，当激光上能级反转粒子数积累足够多时，突然降低腔的损耗，这时阉值也随之突然降低，反转粒子数大大超过阈值，就会在极短的时间内产生受激辐射，产生一个极强的激光脉冲，这个光脉冲脉宽窄( 1 0 一一1 0 4 s ) ，峰值功率高( 1 0 6 w 量级) ，通常称为激光巨脉冲。调q 技术是一种q 突变技术，激发时选用低q 值；振荡时突然变到高q 值。所以，激光调q 技术对于q 开关的时间特性有一定的要求。一般来说，主动调q 方式具有高可靠性、高稳定性和高可控性等优点，例如采用高速雪崩晶体管控制的电光调q 组件，其开关时间可以达到几个纳秒，并且可以做到严格的关门状态。但主动调q 通常需要外加脉冲高压电源或高频驱动信号源，整个系统体积庞大，设计难度高，成本不易控制，所以，这在一定程度上限制了主动调q的应用范围。相比之下，利用某些物质对入射光具有强烈的非线性吸收饱和效应而制成被动调q 开关，由于省去了一些外部附加设备而具有价格便宜、结构简单、可调节性好，通过改变材料本身的性能可以随意调节腔内的损耗等优点，在中小功率( 输出小于1 0 0 m j p u l s e ) 激光器中有很大的应用前景，常见的被动调q 方法有可饱和吸收染料调q 、可饱和吸收晶体调q 、半导体材料调q 、可饱和吸收反射镜调q 等等。1 2 2 几种激光调q 开关器件介绍1 、电光调q有些晶体在外加电场作用下其折射率会发生变化，通过晶体的。光和e 光之间产生相位差，从而使光束经过晶体后偏振面发生旋转，其中折射率的变化和电场强度成正比的效应称为普克尔效应，折射率变化和电场强度平方成正比的效应成为克尔效应。电光调q 就是利用晶体的电光效应来实现q 突变的方法。通常晶体中克尔系数比普克尔系数在数量级i - d , 好几个数量级，因此在一般情况下，激光器电光调q 采用的是普克尔效应。电光调q 激光器如图1 - 2 所示，晶体采用k d p ，沿光轴z 向通光，同时沿z 轴方向加电场，入射光束的偏振方向平行于x 轴。加电场前，晶体的折射率椭球方程为：北京工业大学理学博士学位论文!。! !窟鼍雹! ! ! 蔓! 曼篁! ! ! 曹! ! ! ! ! ! 兰! 暑詈鼍! ! ! ! 暑曼全反镜棱镜输出镜图1 - 2 、电光调q 激光器不意图f i g l 一2 s k e t c ho f e l e c l r i c o p t i c sq s w i t c h i n gl a s e r菩+ 吾+ 斋= ，：珂。玎on 。在晶体上旌加电场e z ，引起的晶体折射率变化为：月。：一= 1 ”。3 y 6 3 e ：h ，：妻3 也卜3a n ：= 07 为晶体的电光系数。如果晶体长度为l ，则晶体中。光和e 光在穿过晶体后将产生一个相位差：妒：孚n03 y6 3 e z ：娶r to3 y6 3 矿1 4l，lv 为晶体两端所施加电压，如果选择矿：= v a ：42 矗丢，灿卿，z ，沿晶体的x 轴偏振的线偏振光，通过晶体后将变为圆偏振光。图1 2 中，在激光棒用闪光灯泵浦期间，如果在电光晶体上施加v 以电压，使线偏振光通过晶体后变成图偏振壳，经过谐振腔的全反镜反射，重新进入k d p晶体，再次经电光调制回复线偏振状态，同初始入射的线偏振光相比，此时的线偏光的偏振面旋转了9 0 0 ，因而不能通过偏振器( 格兰一傅科棱镜) ，激光腔内的q 值很低，工作物质上能级粒子数不断积累，处于储能状态：如果当在某一时刻激光上能级粒子数达到最大值时，突然撤去k d p 晶体上的电压，即开启q开关，则在瞬间激光器变成低损耗、高q 值状态，激光振荡迅速建立，形成巨脉冲输出。2 、声光调04第1 苹绪论声光q 开关是一种典型的布拉格行波声光偏转器，当声波在声光介质中传播时，在介质内会产生与声波信号相应的随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期变化，形成等效的位相光栅，其光栅常数等于声波波长k 。当光束经过此介质时会发生衍射，一部分光偏离原来方向，利用衍射光的强度随声波场强度的变化而变化的性质，就可以制成声光强度调制器。其结构示意图见图1 3 ，一块光透明介质( 声光介质) ，一边粘接一个电一声换能器，在换能器上蒸镀电极，另一边上粘接吸声材料。压电换能器广泛采用x 一0 0 切割的石英晶片或y - 3 6 0 切割的铌酸锂l i n b 0 3 。换能器用射频源驱动，当射频源信号的频率等于晶片的固有频率时，晶片做弹性振动的幅度达到最大，一般换能器的带宽为十几m h z 。这种弹性振动经过耦合介质进入声光介质，引起介质的密度呈现周期性变化，密度大的地方对光波的折射率大，密度小的地方折射率小。全反镜输出镜图1 - 3 、声光调q 激光器示意图f i g l - 3 s k e t c ho f a c o u s t i c - o p t i c a lq s w i t c h i n gl a s e r当一束光射到声光介质时，就会发生声光相互作用，相互作用长度l 满足l 九s 2 九时，所得光栅为体光栅。如果光的入射角o 满足：s i n 肚丢，s透射光就仅仅有0 级和一级光，视入射方向而定，o 成为布拉格角，该光栅以声速u s 传播，这种器件称做布拉格行波偏转器，0 和1 级光的强度分别为：型：坐： ；甜吖“厶北京工业大学理学博士学位论文西：至儿式中i 为入射光强，旯是光通过声光介质产生的相移，a n 。cp ( p 为驱动源功率) 。若选择机电耦合系数大的材料做换能器，并适当选择声光作用长度l 和驱动功率p ，可以使m 接近兀2 ，此时透射光的0 级强度很弱，光能几乎全部分布在1 级衍射光的方向上，这样，光束通过声光介质之后就发生了偏转，好的声光偏转器的衍射效率可以达到8 0 以上。把声光q 开关置于激光谐振腔内，当接通射频源时，光束经过声光介质后发生偏转，逸出腔外，此时谐振腔内的q 值很低，可进行激光上能级粒子数的积累。当积累足够多时，切断射频源，声光介质中声波场消失，腔内q 值突然增大，从而建立起极强的激光振荡，实现了调0 巨脉冲输出。声光调q 开关的速度不及电光调q 开关，开关时间主要是由声波渡越声光介质的时间决定的，以熔融石英为例，声波通过l m m 的长度需要时间约为2 0 0纳秒( 声速为5 m m p _ s ) ，这一时间对于某些高增益的脉冲激光器来说显得太长，因此，声光q 开关一般用于增益较低的连续激光器，而且声光q 开关所需要的驱动调制电压很低，只需1 0 0 多伏，故容易实现对连续激光器调q 以获得高重复频率的脉冲输出，一般重复频率可达1 - 2 0 k h z 。3 、转镜调q众所周知，激光器两个腔镜的平行度直接影响着谐振腔的q 值，转镜激光调q 就是利用改变反射镜的平行度来控制谐振腔q 值的方法。图1 - 4 是转镜激光调q 激光器的示意图，它是把脉冲激光器谐振腔的全反射镜用一个直角棱镜取输出镜全反棱镜图1 4 、转镜调q 激光器示意图f i g l - 4 s k e t c ho f r o t a t em i r r o rq - s w i t c h i n gl a s e r代，该棱镜安装在一个高速旋转马达的转子上，由于它绕垂直于腔的轴线做周而复始的旋转，因此构成了一个q 值做周期性变化的谐振腔。当泵浦氙灯点燃后，由于棱镜面与腔轴不垂直，反射损耗很大，此时腔内q 值很低，所以不能6第1 章绪论形成激光振荡。在这段时间内工作物质激光上能级粒子数不断增长，同时棱镜面也逐渐转到接近与腔轴垂直的位置，腔的q 值逐渐升高，到一定时刻就形成激光振荡，输出巨脉冲。以一l 就是转镜调q 的基本工作原理，它是最早发展起来的一种主动调q 技术，它的优点是不引入腔内的附加损耗，也不存在光损伤问题，所以特别适用于氙灯泵浦的高功率脉冲固体激光器，脉宽可以达到几个纳秒。但由于它在转子转速高时机械磨损严重，使用寿命有限，所以目前已很少使用了。4 、可饱和吸收体调q以上所述的均为主动调q 技术，与之相对应的是被动调q 技术，这是通过引入一种特殊的光学材料可饱和吸收材料，这种材料随着入射光强度的增加，透过率逐渐增大，当入射光强度增大到一定程度，透过率达到最大值，这时称为饱和吸收体的饱和状态，也称被漂自。漂白过程是建立在跃迁吸收基础上的，假如这种材料在激光波长上具有强烈的吸收作用，那么当将它放入激光谐振腔中后，最初它会阻止激光振荡的形成，在泵浦的作用下，增益逐渐增大，当腔内光强超过阈值损耗后，腔内荧光急剧增加，可饱和吸收材料迅速达到饱和状态，这时腔内损耗突然降低，如此就形成了一个激光巨脉冲输出。同主动激光调q 相比，由于这类激光调q 器件是靠材料的自身特性完成的，不需要附加外界驱动源，所以能够极大的降低激光器的成本，结构相对简化，也容易实现小型化甚至是微型化。1 3 激光器被动调q 技术发展概况利用材料可饱和吸收特性的被动调q 技术以其价格便宜、运转简便、结构简单可靠的优点，在中小功率( 输 1 0 0 m j ，p u l s e ) 激光器中，被广泛采用。有效的被动调q 一方面与器件设计有关，另一方面与被动调q 材料有关。优异的被动调q 材料在激光波段具有较大的吸收截面、较短的驰豫时间和较小的剩余吸收截面( 又称激发态吸收) ，同时还应具有稳定的物化性能，导热性好，抗损伤，防潮等特性。过去，常用的被动调q 技术，采用有机染料饱和调q 介质，充填成三明治结构的染料盒，插入激光谐振腔，实现调q 输出。后来，利用透明塑料为基质，掺加染料可以做成染料片，实现了有机固态调q 器件，已成功地用于低重复器件。但是有机染料调q 时存在着明显的不足，尤其是军事应用，染料调q 的高低温特性差异大，不稳定。工作平区( 即单脉冲泵浦范围) 波动较大，为了克服这缺陷，必须对注入泵浦电源实施温度补偿控制。因此，近年来，被动调q 技术及相应的新材料研究，一直是非常活跃的研究领域，取得了一系列重要的进步。1 3 11 1 t m 波段激光的被动调q 技术北京工业大学理学博士学位论文以n d 3 + 为激活介质的固体激光器，是最常用的固体激光器，由于基质不同，n d 3 + 激光器的输出波长略有不同，一般为1 0 4 9 m 1 0 9 i j t m 之间。最早研制的固体被动调q 材料是l i f ：f 2 。这是一种色一i i , 材料，通过采用y 射线或电子束辐照，在l i f 中产生：f 2 。色，i i , ，对激光实现可饱和吸收。被动调q 的脉冲特性，如输出能量和脉宽，通常不易人为地控制。1 9 9 0 年，j a m o r r i s 报道了l i f ：f o 被动调q 二极管泵浦的n d ：y a g 激光器的实验，他们得到了宽度为2 0 3 0 n s 的脉冲输出，脉冲能量2 0 p j ，并且发现在激光器工作于高重复频率时，f 2 。色心出现漂白现象，引起激光器输出性能的下降1 2j 。最近，韩国高技术研究所的h o n g j i n k o n 等人1 3 1 采用复合腔结构控制调q 过程，其基本原理是，子腔起着强制性回复l i f ：f 2 。的饱和吸收作用，从而在脉冲后沿截止激光脉冲，另一方面，子腔延迟了激光主腔的激发时问，改变了脉冲前沿，他们还建立了一套数学理论，与实验结果吻合很好。但l i f ：f 。的色心不稳定，易退化，因此使用寿命及储存都非常有限。我国北京理工大学的魏光辉教授也提出可以利用y a g 色心来调制l d 泵浦n d ：y l f 激光器的设想，并且在1 0 4 7 n m 处得到了脉宽2 5 n s ，能量8 7 9 j 的脉冲序列，重复频率高达5 k h z 【4 j 。自九十年代以来，掺c ，的各类可饱和吸收被动调q 材料的出现，引起了人们广泛的重视，并就各类器件进行了多种实验。这些材料有c r ”：g s g g 、c r 4 + ：g s a g 、c r 4 + ：m 9 2 s i 0 4 及c r 4 + ：y a g 。同时，还可将激活离子n d 同时掺杂到这些材料中，形成所谓自调q 的功能型激光材料。c r 4 + 离子参与可饱和吸收的过程在3 a 2 3 t 2 能级之间，另外，还存在3 t 2 3 t l 能级的剩余吸收，即激发态吸收。在y a g 基质中，c r 4 + 的3 t 2 3 a 2 的驰豫时间为3 4 p s ，在m 9 2 s i 0 4 中为3 9 s ，y s o 中为o 7 p s ，导致剩余吸收的3 t i 一3 t 2 的驰豫时间为5 0 p s 。c r 4 + 离子的吸收截面，在不同介质中各有不同，一般为1 0 - 18 c m 2 1 0 - 1 9 c l t l 2 之间。用5 m m x 6 5 m m的n d ：y a g 棒，c r 4 十：g s g g 被动调q 激光器可以获得3 5 n s 4 0 n s 的激光巨脉冲。在同一激光介质腔中，使用初始透过率为2 0 的c r 4 + ：m 9 2 s i 0 4 作被动调q 材料，在2 4 j 的灯泵能量下，可以获得1 0 m j1 2 m j 的脉冲输出，脉宽为4 0 n s t 5 1 。以色列核技术研究院y s h i m o n y 和俄罗斯“极地”研究所的a s h e s t a k o v 等人，自九十年代以来，成功地采用提拉法生长出了c r 4 + ：y a g 晶体，用于n d ：y a g激光器被动调q 的可饱和吸收体，取得了较好的效果。y s h i m o n y 等人将c r 4 + ：y a g 晶片以布氏角的方式置于腔内，可以同时兼作起偏器和被动调q 材料，n d ：y a g + c r 4 + ：y a g 被动调q 激光器，激光巨脉冲是包含有三个脉冲的多脉冲，多脉冲输出的调q 效率为4 0 ，单个脉冲的脉宽约为6 0 n s 7 0 n s ”。l o c k h e e ds a n d e r 公司，在新型对人眼安全的小型测距机方案中使用c r 4 + ：y a g 作被动调q材料，所获得的调q 效率仅为1 0 左右【7 】。连续器件的高重频调q ，过去多由声光方式实现。近年来，随着c r 4 + ：y a g第1 蕈绪论晶体的成熟，高重频被动调q 技术的研究也取得了重要的进展。在输出为1 8 w的连续激光器中，插入c r 4 + ：y a g 被动调q 可饱和吸收体，可以获得2 k h z 2 9 k h z ，8 0 n s 3 0 0 n s 的高重频调qi s ，完全达到普通声光调q 器件的水平。对于二极管泵浦器件，则可获得7 k h z 高重频调q 窄脉冲( 7 n s ) 的输出，峰值功率达1 0 k w 9 1 ，完全满足防空雷达、激光主动制导雷达和激光加工等应用的要求。很显然，连续激光的被动调q 技术，较之声光调q 技术，有着调q 效率高、结构紧凑、驱动简单、总体效率高和可靠性高的优点。随着注入功率的改变，还可以对调q 重频进行适当的控制。被动c r 4 + ：y a g 连续调q 的主要缺点在于脉冲间的重复性较差，一般脉宽起伏1 5 2 0 ，脉冲的能量起伏达1 0 ，这对于高精度测距等有关应用，增加了难度。另外，c r 4 + ：y a g 用做高重频( 例如大于1 0 h z ) 脉冲激光调q 工作时，易出现光学元件的损伤，这些损伤不仅出现在c r 4 + ：y a g 的表面，而且还可能出现在激光晶体的端面，严重时还会在激光晶体中引起气泡串。微晶片的被动调q 激光器是近年发展起来的另一种新型的激光器。例如，采用o 5 r a m 厚的n d ：y a g 和o 2 5 m m 的c r 4 + ：y a g ，将激光谐振腔光学薄膜直接镀制在晶体上，以光纤耦合二极管直接泵浦，可以得到2 8 k w 的峰值功率输出，脉宽仅为2 0 0 p s 3 3 7 p s ，重频达6 k h z ，且为t e m 0 0 模 1 0 】。这种微晶激光器的另一个特点是克服了连续激光器c r 4 + ：y a g 被动调q 的缺陷，脉冲能量和脉冲重复性稳定，起伏 o 5 。在上述微晶激光器中采用倍频技术，可分别得到2 6 6 n m 、3 5 5 n m 和5 3 2 n m 激光输出。1 9 9 8 年，法国l e t i 公司利用液相外延( l p e ) 技术，以增益介质y a g 为基体，生长饱和吸收体c r 4 + ：y a g ，然后抛光两端面镀膜，形成微晶激光器。另外，在闪光灯泵浦的光纤激光器中，采用c r 4 + ：y a g 作被动调q ，可实现2 0 k h z 的高重频调q ，脉甯 5 0 0 p s i ”j 。将c r 4 + 和n d ”同时掺入晶体，可得到自调q 功能材料，从而研制出单晶块调q 固体激光器。s h i q u nl i 等人，采用二极管激光器泵浦，成功地制成了脉宽为3 0 n s 的自调q 激光器【l “，结构非常简单。关于c r 4 + ：y a g 被动调q 激光器的偏振特性，一般研究较少。文献 12 j 中的自调q 激光器虽然没有常规偏振措施，输出却是偏振光，消光比达6 0 0 ：1 ，对此，该文作者尚无解释。这可能是由于c r + ：y a g 本身的偏振光谱特性导致的，作为被动调q 介质，重要的是吸收消光比，即初始吸收系数与剩余吸收系数之比。该消光比与角度有关，因此，以某个方向切割的c r 4 + ：y a g 用作腔内被动调q 元件时，激光器的输出可以是偏振光。被动调q 激光理论通常建立在速率方程基础上。吴念乐等人就c r 4 + ：y a g 被动调q 进行了数值及近似解析分析【1 3 】，给出了脉冲峰值功率，脉宽能量提取效率等结果。9北京工业大学理学博士学位论文我国在材料生长方面，也取得很大成就。西南技术物理研究所、华北光电所及上海光机所等单位均已成功地生长出了c r 4 十：y a g 材料。有的作者还进行了调q 激光器研究j 。西南技术物理研究所巩马理等人利用c r 4 + ：y a g 晶体设计的闪光灯泵浦n d ：y a g 被动q 开关激光器，可达6 0 7 0 的调q 效率，器件的总体效率接近1 ，脉宽为6 3 n s ”l 。另外，他们还设计了c r 4 + ：y a g 被动调q 的内腔式光参量振荡激光器，在5 j 6 j 的泵浦下，得到了高达1 4 m j 的1 5 7 9 m 人眼安全激光输出，脉宽仅为4 n s 5 n s 。从国内外研究的情况来看，c r 4 + ：y a g 是一种性能良好的新型被动调q 材料，可用于实现6 0 m j 7 0 m j 以下，脉宽 1 0 n s 的调q 巨脉冲。在重频脉冲器件工作时，低重复频率( 6 。，所以e l 2 为电子陷阱；3 ) 、在原生晶体中e l 2 浓度分布和晶体生长速率、位错密度有关，但经过退火以后，在原生晶体中e l 2 缺陷分布趋于均匀，不再与位错有关；4 ) 、低温下e l 2 表现出光猝灭行为，在低温时e l 2 中心受到近红外光照射会从价带和其它深能级得到电子而发生猝灭，使材料的费米能级下降，在价带中留下大量寿命很长的空穴，随着光照进一步增强，光电流趋于第2 章g a a s 被动调q 理论基础某一最低值，e l 2 缺陷的这一特性常被用来区别于g a a s 中的其它深能级中心【4 u j 。光电导f 3 6 】、稳态光电容h ”、光致发光【4 2 】、电子顺磁共振【4 3 】和红外吸收【4 4 1 的实验结果均支持和证实，不管是生长中间固有的还是人为引入的a s 都是一个双施主能级，分别位于导带下o 7 5 e v 和1 0 e v ，因此，由于a s 错位而导致的e l 2也是一个双施主能级( 既中性的e l 2 0 和带正电的e l 2 + ) ，如图2 2 所示。e l 2红外吸收光谱表明，e l 2 红外吸收阈值为0 8 2 e v ，这表明e l 2 双施主能级中的第一能级( 即e l 2 0 ) 位于导带下o 8 2 e v 处，而e l 2 的第二个能级则呈现出复杂的结构，而且只有在未退火的g a a s 样品中才能观察到。c b目2 - 2 、e l 2 双能级结构不惹圈f i e 2 2 s k e t c hm a do f e l 2t w oe n e r “l e v e ls t r u c t u r e2 3g a a s 在1 0 0 , m 处的光致载流子过程当g a a s 与l h m 波长的激光发生相互作用时，在g a a s 内部将同时发生几种不同的物理过程，这些物理过程主要有：( 1 ) 光折变( 2 ) 折射率光栅( 3 ) 吸收光栅( 4 ) 线性单光子吸收( 5 ) 非线性双光子吸收( 6 ) 自由载流子吸收下