（光学专业论文）ld端面泵浦全固态连续红光激光器.pdf

西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用 x 摘要 激光二极管( l d ) 泵浦的固体激光器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、寿 命长等优点，在军事、医学、信息、科研等领域具有广泛的用途。其中，全固态 红光激光器在国际激光研究领域受到广泛的重视。随着晶体生长技术和半导体技 术的发展，它在彩显、医疗、光存储和做可调谐c r ：l i s a f 激光器泵浦源方面的 广泛用途受到了重视。本文对l d 端面泵浦n d ：w 0 4 晶体，l b o 晶体腔内倍频 获得6 7 1 r 皿红光进行了理论分析和实验研究，获得6 7 1 n m 红光最大输出功率 6 8 0 m w ，光一光转换效率6 7 。具体研究内容如下： 1 回顾l d 泵浦固体激光器的发展历史、研究现状，概述了红光固体激光器 的发展现状。 2 对红光的倍频产生进行了理论分析，介绍了倍频晶体l b o 的物理与非线 性特性，分析了其临界相位匹配特性。 3 讨论了激光晶体的热效应问题，并进行了稳区腔型设计，为激光器的优化 结构设计提供了可靠的理论依据 4 研究了l d 端面泵浦的n d ：y v o 以b o 腔内倍频红光激光器。用o 5 a t 掺 杂的n d ：w 0 4 晶体，采用l b o 晶体i 类相位匹配获得6 7 1n m 激光最大输出功 率6 8 0 m w ，光一光转换效率5 7 。 关键词：全固态红光激光器，激光二极管，端面泵浦，腔内倍频，n d ：w o 。， l b 0 晶体 a b s t r a c t l a e 卜d i o d e p u 埘【p e ds o l i d - s t a t el a s e r s ( d p s l ) ，o w i n gt ot h e i ra d v a j l t a g e s s u c ha sh i 曲e 硒c i e n c y h i 曲b e 锄q u a l 时a n dl o n gl i f e t i m e ，e t c ，h a v e b e e nac e m e ro ff o c u si nm ef l e l d so fi a t r o l o g y ，i n f 0 啪a t i o na n ds oo n a 1 1 一s o l i d s t a t er e dl a s e rh a ss h o 、】l mb m a dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nc o l o r d i s p l a y s ，b i o m x 第一章绪论 激光与以往的光源相比，具有亮度高、方向性好、单色性和相干性好等特点， 因而自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器诞生以来【1 1 ，激光的研究一直受到人们的很 大重视。激光问世至今才四十多年，但它的发展异常迅速，已经被广泛应用到工 农业生产、交通运输、能源动力、医药卫生、国防军事、科学技术、文化艺术和 信息传递等各个领域，是正在走向实用化的高技术，和原子能、半导体、电子计 算机一起被誉为当代的四大发明。 激光器的种类有许多种，按产生激光的工作物质的不同可分为气体激光器 ( 如c 0 2 激光器) 、固体激光器( 如红宝石激光器) 、半导体激光器( 如g a a s 激 光器) 、液体激光器、化学激光器、自由电子激光器等1 2 】。其中，固体激光器由 于具有体积小、储能高、激发方案简单和可靠性能高等优点，从一开始就处在激 光研究的中心位置，发展极为迅速。特别是激光二极管( l a s e rd i o d c ，简写为l d ) 及其列阵( l 船e rd i o d e a n 可，简写为l d a ) 泵浦的固体激光器( d p s l ) ，又称之 为全固态激光器( a us o l i d s 诅t el 嬲e r ) ，在军事、工业、医学和科研上有着广泛的 应用前景；与传统闪光灯泵浦的固体激光器相比d p s l 具有高效、紧凑、稳定、 长寿命和腔型多样化等优点：与l d 自身相比，d p s l 具有线宽窄、波长稳定、 光束质量高、峰值功率高、扩展激光波长等优点；d p s l 的研究己成为激光器件 领域内的一个非常活跃的方向【3 1 。这种全固态激光技术把激光二极管、固体激光 器与非线性晶体材料紧密地结合在一起。该系统中全部采用固体器件( 即无液体 和气体材料) ，可获得各种性能优良的激光输出，其主要特点是： 1 结构紧凑、小型化、整体性强、密封性好、一般具有防震和防冲击等特 点，因此工作稳定、操作简单、维护方便且费用较低。配合适当技术，还可耐高 温、耐寒、防水。在很多场合，例如航空、航天、舰船、工业现场等有重要的应 用价值。 2 整体转换效率高( 即电能利用率高) ，所以发热小。这将使激光输出光束质 量得到改善，输出稳定性进一步提高。 3 作为泵浦源的激光二极管或其阵列的寿命长，加上转换效率高等特点， 使整个系统使用寿命增长。这在很多实际应用中将是重要的优势。 4 应用广泛。 总之，d p s l 的研究己成为激光学科发展的重要方向之一，随着大功率l d 价格的不断下降以及l d 输出功率的不断提高，l d 泵浦的固体激光器将成为激 光器发展的主流，传统的灯泵浦的固体激光器、染料激光器和气体激光器将逐渐 被d p s l 所代替。 1 1l d 端泵固体激光器的发展概况 用激光二极管( l d ) 作为泵浦源是激光泵浦技术中的一个重要突破。6 0 年 代起始，l d 泵浦的固体激光器便迅速发展起来。1 9 6 0 年第一台闪光灯泵浦红宝 石激光器出现以后，r n e w m a i l 首先提出了激光二极管泵浦全固态激光器的思 想。1 9 6 2 年，第一支g a a s 二极管激光器( l d ) 问世( 我国科学家在1 9 6 3 年用p - n 型半导体也实现了激光辐射) 。1 9 6 4 年，美国m i t 林肯实验室的k e y e s 和q u i s t 首先展示了第一台l d 泵浦的固体激光器【4 】。其后，研究者们把对激光材料的研 究转向了掺杂稀土元素的激光增益介质，其中普遍使用的是掺杂n d 3 + 离子的 n d ：y v 0 4 晶体和n d ：y a 0 晶体，这是因为n d ”离子对于u ) 来说有着极好的光谱 特性，并且y v o 。晶体和y a g 晶体具有良好的热机能性，容易生长成较大的尺 寸。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的r d s s 制造了第一台l d 泵浦的n d ：y a g 激光器。 由于当时激光二极管性能不佳，l d 泵浦的固体激光器一直没有引起人们的关注。 直到二十世纪八十年代后期，随着半导体激光二极管( l d ) 及其列阵( l d a ) 性能的 改善，激光二极管泵浦固体激光器( d p s s l ) 才得以复兴，以l d 代替传统的闪光 灯作为泵浦源成为固体激光器发展的趋势。此后，固体激光器的发展进入一个黄 金时期，应用领域得到不断扩展。激光二极管泵浦固体激光器兼有激光二极管效 率高、体积小和固体激光器稳定性好、长寿命、光束质量好的双重优点，在军事、 工业、医学和科研等领域有广泛的应用前景，已成为激光领域研究的重点之一。 1 - 2l d 端泵的红光激光器的发展现状 最早出现的红光激光器是红宝石激光器，波长为6 9 4 3 r l r n 。它属于三能级系 统，由于其泵浦能量阈值较高，所以通常只能以脉冲方式运转。其q 调制红宝 石激光器输出脉冲功率可达1 0 一5 0 m w ，脉宽为l o 一2 0 n s 。脉冲红宝石激光器主要 用于动态全息成像及激光医疗领域。 h e - n e 激光器是目前最常用的红光激光器。也是最早研制成功的气体激光器， 输出波长为6 3 2 8 衄。放电管长度为数十厘米的h e - n e 激光器输出功率在毫瓦量 级，放电管长1 2 m 的激光器输出功率可达数十毫瓦。由于它能输出优质的连续 运转可见光，而且具有结构简单、体积较小、价格低廉等特点，在准直、定位、 全息照相、测量、精密计量等方面得到广泛的应用。但由于输出功率太小，在医 疗等很多应用领域无法满足功率需求。 红光二极管激光器在红光激光器中扮演着极为重要的角色，它在固体激光器 泵浦、激光医疗、条形码扫描、光数字存储、激光打印等方面有着广泛的应用。 红光l d 已经商品化，应用也最广泛，但它仍具有二极管自身的缺陷： 1 ) 宽线宽，激光二极管由于腔较短以及镜片的反射率较低，导致腔寿命t c 很小，因此激光二极管的线宽是很宽的，通常为o 0 2 t m ，而固体激光器的线 宽通常可以达到0 0 0 1 0 0 1 m ； 2 ) 输出波长随温度漂移，半导体激光器输出波长不确定，随温度升高而增 长，漂移量为o 2 o 3 n i i l o c ： 3 ) 难以进行腔内调制，不能获得高峰值功率的调q 脉冲输出： 4 ) 发散角大，半导体激光器由于p - n 结的结构，垂直于结的方向的发散角 宽度约为4 0 0 ，平行于结的方向的发散角约为1 0 0 ，是椭圆度很大的发散光， 由于光束质量和模式差，难以满足激光应用的要求。 而固体激光器具有高的峰值功率，窄的线宽，发散角非常小，稳定性高；端 面泵浦的d p l 很容易做到基模衍射极限的光束，更便于激光器的应用。 目前，n d 3 + 离子激光器是红光激光器研究的热点，因为通过倍频n d 3 + 的1 3 岫 发射谱线就可以获得红光输出。现在最广泛的研究集中在n d ：y v 0 4 晶体上，通 过倍频1 3 4 2 “m 的发射谱线获得6 7 l 蛳的红光。郑州大学在这方面做了大量研 究，利用k t p 和l b o 晶体倍频实现了红光输出】。1 9 9 7 年，山东大学晶体材 料研究所也利用n d ：w 0 4 及i i 类匹配的k 1 1 p 晶体获得了红光输出【7 】；长春光机 所也利用n d ：y v 0 4 和i i 类临界相位匹配的k t p 晶体获得了4 8 m w 的基模红光输 出【5 j ：1 9 9 9 年中科院力学研究所利用n d ：w 0 4 和i i 类非临界相位匹配晶体l b o 获得了4 0 4 m w 的红光输出【舯，2 0 0 1 年又利用i i 类临界相位匹配的l b o 晶体获 得了8 9 0 m w 的红光输出0 1 ；2 0 0 1 年，南京大学利用p p l t ( 周期极化坦酸锂超 晶格) 对n d ：w 0 4 进行倍频获得了4 1 0 m w 的准连续红光输出】。 n d ：y a g 也是目前应用非常广泛的激光晶体，对其1 3 1 9 衄的辐射波长倍频 就可获得6 6 0 m 红光激光。1 9 9 7 年有报道说莫斯科大学的列昂诺夫开发了y a g 激光器，获得平均1 0 w 的红光输出【1 2 】。1 9 9 9 年日本的y o k o 等人利用n d ：y a g 晶体，双棒串联，采用折叠腔结构，内腔倍频获得了6 1 w 的连续红光。2 0 0 3 年， 华中科技大学利用多晶n d ：y a g 研究了1 3 2 啪的连续激光器【1 3 l ，但还没有红光 方面的报道。由于n d ：y a g 晶体通常采用大功率侧泵浦方式，泵浦功率可以达到 几百瓦甚至千瓦以上，从而有利于获得更高功率的红光输出，但目前对它的研究 主要集中在1 0 6 4 r l n l 波段，红光方面的研究很少。 综上所述，在全固态红光激光器中以n d ：w 0 4 和n d ：y a g 最具发展潜力， 在功率要求不高的情况下，n d ：w 0 4 输出红光的光束质量更好，有广泛的用途， 因此研究全固态n d ：w 0 4 红光激光器很有实际意义。 1 3 红光激光的应用领域 红光激光器在激光医疗、激光显示等方面有着巨大的应用前景。 在激光显示中，红光是红、绿、蓝三基色之一。激光三色显示技术中，信号 调制及扫描技术已经成熟，关键是新型三色激光光源的研制。在三基色中，产生 绿光的技术已经成熟，可以获得高功率、高质量的绿光输出。而红光和蓝光目前 仍是研究的重点，相对来说，蓝光在三色显示中的功率要求小的多，红光要求的 功率最大，所以红光的研究就很关键。 在医疗方面，红光对组织的穿透能力强，可以达到组织深处。红光可治疗慢 性炎症、内分泌失调、神经功能障碍等疾病【1 4 】：在光动力疗法中，运用红光照 射h p d ( 血卟啉醋硫酸盐) ，可以产生一系列光动力学作用，产生单态氧等氧化 力极强的细胞毒性物质而杀死癌细胞，因而红光是治疗早期癌症的理想光源i ”】。 此外，6 7 l 啪红光又可以作为可调谐激光器的抽运源，例如c r ：l i s a f 等晶 体。 1 4 课题的研究意义和主要工作 由于激光具有单色性好、色纯度离、高亮度的特征，利用激光进行鼹示具 有三基色色域大、色纯度高、色还原性好的独到优势，因此激光彩色视频图像 可在保证高分辨率、高稳定画面的同时拥有色彩特别丰富、艳丽的独特优点。 在未来的电视行业中，激光电视极具竞争力和广阔发展前景。 我国对激光显示技术的关注也早已开始，上世纪8 0 年代末，激光全色显示 技术就已进入我国8 6 3 计划。2 0 0 2 年我国在该技术领域实现重大突破，推出全 国态激光显示原理样机，2 0 0 3 年研制出6 0 英寸背投激光显示机，2 0 0 5 年推出 8 4 英寸背投激光显示机，最近又研制成功1 4 0 英寸大屏幕激光显示样机。 激光三色显示技术中，信号调制及扫描技术已经成熟，关键是新型三色激光 光源的研制。在三基色中，红光和蓝光目前仍是研究的重点，本实验对l d 端面 泵浦n d ：w 0 4 晶体，l b o 晶体腔内倍频获得6 7 l m 红光进行了理论分析和实验 研究，获得6 7 1 m 红光最大功率为6 8 0 m w 的t e m o o 模输出，光一光转换效率 6 7 。 9 其中 附冈 ( 2 - 1 1 1 ) 暇0 ) 为z 处振荡光的光斑半径；为介质内振荡光的束腰半径。一般情况下， 聪= ；以为振荡光波长。 半导体激光( l d ) 泵浦光经光纤耦合、准直及聚焦系统输出后，其光场分布 可近似用高斯分布表示： 伉驴矿磊丽e 冲 一z 嵩一船 p 也， 式中，0 ) 是泵浦光在增益介质内= 处的光斑半径，可表示为 2 一日留啷l( 2 1 1 3 ) 其中。为泵浦光在增益介质内的束腰半径；乃为泵浦光的焦点位置；学为泵浦 光的发散角。 2 1 i3 阐值功翠 当激光器工作在阈值时，腔内光子数s = o ，则( 2 1 9 ) 式变为 肌( 咖如删陆悉篝 4 ) 其中，r 曲表示阈值泵浦速率。定义重叠积分 为 2 j n ( 五y ，z ) ( x ，y ，z ) d 矿 ( 2 1 1 5 ) 表征泵浦光与振荡光的空间重叠，则 耻击器 口。 由( 2 - l - 4 ) 和( 2 - l 5 ) 式，泵浦阈值功率可表示为 2 鲁专普去 p ， 可口c r r ，z l l 可以看出，重叠积分以是一个直接与泵浦阈值有关的重要参数，且p 腩* 1 。， 说明以越大，p ， 越小。将白 z ) 和s 如力代入( 2 1 。1 5 ) 式得 5 面惫碉：毳焉庞 陋s ， 如果我们用泵浦光在增益介质中的平均光斑半径矿，代替上式0 ) ，则 表达 1 2 式可简化为 =： 碰( ；+ 孵) 其中平均泵浦光斑形。定义为 睁啦，出 ”2 将( 2 1 1 9 ) 式代入( 2 1 1 7 ) 式得到泵浦阈值功率表达式为 ( 2 1 1 9 ) ( 2 1 2 0 ) ：譬车掣 ( 2 - 1 - 2 ) q do t f z2 从上式可以看出，泵浦阈值功率与增益介质的沂，成反比，与腔的损耗d 成正比 同时与泵浦光和振荡光的光斑尺寸也有很大关系。事实上，我们常用( 2 1 2 1 ) 式来估算激光器的泵浦阈值功率。 2 1 4 输出功率与斜效率 输出功率由下式给出 p 一2m ”1 云。s ( 2 。1 2 2 ) 其中，r 为输出镜的透过率。定义斜率效率玎s 为 p 轧2 矗 。小2 3 ) 因此，只要求得腔内光子数s ，即可求得输出功率匕。和斜率效率玎。而s 通过 ( 2 1 9 ) 式与r 有关系，r 又是的函数，通过数值计算就可求得p 。，尸m 的 关系和町p 。的关系。我们仅讨论近阈值和强光泵浦两种极限状态下的输出功率 和斜率效率表达式。 2 1 5 近阚值条件下的输出功率和斜率效率 在近阈值条件下，腔内光子数密度满足 s s o 力 土 c 盯r ， 即三沂r s 却 卫力 l c o t ， 三c r fr 曲。( x ，弘：) 1 。 哗鬻肌毒2 蒜 1 + 二c r r ，n ( x ，v ，：) 。o u ，二l u ，1 所以s ：丝三r ，等吾己 ( 2 1 3 3 ) ( 2 - 1 3 4 ) ( 2 1 - 3 5 ) ( 2 1 3 6 ) ( 2 1 3 7 ) ( 2 1 3 8 ) 旷 导 ( 2 1 _ 3 9 )叩s 2 叩。- i( 2 l 。3 9 ) 门v ， d 由( 2 - 1 - 3 8 ) 和( 2 - l - 3 9 ) 式可看出：在强激光泵浦下，输出功率仍正比于刀艿和 输入功率p 。，而斜效率仅是册的函数。式( 2 1 3 2 ) 是在近闽值下推导出来的， 斜率效率表现为一常数，不随p k 变化，而在实际过程中，斜效率随p 。的增大 而增大，直到接近于强激光泵浦条件的斜率效率常数。因此人们常用( 2 1 3 9 ) 式来估算激光器的斜率效率。 2 2 二次谐波产生 固体激光器直接产生的波长几乎都在近红外区，要获得红光就必须利用非线 性光学晶体对其进行频率变换。1 9 6 1 年f 例【l k e n 等18 】实现激光的二次谐波产生 生吩寒 ( s e c o n dh a r n l o n i cg c n e m t i o n ，s h g ，又称倍频) ，从而启开了激光非线性倍频技术的 大门。作为一种典型的二阶非线性相互作用过程，s h g 在拓宽激光光谱、促进 短波段激光技术发展中发挥着举足轻重的作用。 本章阐述二次谐波产生的机理，分析相位匹配原理和方法，以及相位匹配宽 度问题，并介绍了常用倍频晶体的特性。 2 2 1 非线性光学效应 光与物质相互作用的过程可以看成两个分过程：光波场引起物质响应的过程 和所产生的响应作为辐射源产生辐射的过程。光场强度较弱时，仅能引起物质的 线性响应。而当光波强度可以与原予内的平均场强相比较时。就可以体现出物质 对光场的非线性响应，此时介质中的感应极化强度可表示为 p = s o ( z ”r e + z 2 ：髓+ z 3 _ e e ：e + - )( 2 2 1 ) 式中z ( 1 为一阶( 线性) 电极化率，是二阶张量，它导致折射和反射等线性光学 现象；z 啦为二阶电极化率，是三阶张量，它产生倍频、和频、差频、光参量振 荡、光学整流、线性电光效应和法拉第效应等非线性现象：z ( 3 为三阶电极化率， 是四阶张量，是三次谐波产生、四波混频、双光子吸收、光束自聚焦、克尔效应 以及受激拉曼散射和受激布里渊散射等非线性光学效应的直接原因。 虽然光学现象同其它物理现象一样，从根本上说都是非线性的，但由于普通 光源的电场强度与原子内部场强( 约3 1 0 8 v c m ) 相比很小，极化强度公式中除 第一项外均可忽略，从而表现出线性响应。而激光所产生的光波强度可以达到与 原子内部场强相比较的程度，极化强度公式中的非线性项已经不能忽略从而可以 产生能够观测到的非线性光学效应。1 9 6 1 年，弗朗肯( f m n k e n ) 等【18 人把波长 6 9 4 3 姗的红宝石激光聚焦到石英板上，观察到了波长3 4 7 2 啪的二倍频紫外激 光，非线性光学从此诞生。 2 2 2 光波在非线性介质内传播的波动方程 把激光辐射场视为遵守经典电动力学规律的电磁波，其运动规律由麦克斯韦 掣+ f 2 垦掣+ 面( z ) ：嘲：( ：)( 2 - 2 _ 1 6 ) 国2出 “ 、 非线性激励项对线性效应影响较小，可以作为微扰处理，所以在光波长量级的空 间范围内，参与非线性耦合作用的平面单色波的振幅相对变化很小，即慢变化振 幅近似，有 害础t 箸 弘z m ， 则( 2 - 2 - 1 6 ) 可化为 罢堕+ 加( z ) ：f 譬譬p 舭( 2 ) ( 2 2 - 1 8 ) d rz 聍 式中口= 。2 ”是电场损耗系数。非线性光学介质大部分都是电介质，可以认 为电场损耗系数口= o ，所以上式可简化为 笺堕：f 譬譬( ：) ( 2 - 2 1 9 ) 西2 h “ 、7 当考虑电场振幅随时间的变化时，利用时间慢变化近似，有 警础詈 ( 2 - 2 - 2 0 ) 衙。a f 、7 可以得到包括场的时间导数的波动方程 竺些+ 翘( 纠) + 三罢竽：l 岂譬( 硼 ( 2 - 2 - 2 1 ) 西 一7 v乱2 甩 “7 、 7 式中，= c h 是位相传播速度。 2 2 3 三波相互作用的耦合波方程【1 9 捌 非线性极化弓f 起光场之间能量的转移，使各种频率的光波不再是独立传播， 而是发生能量的相互作用，彼此耦合。设三波相互作用中各个平面单色光波场的 频率分别为l ，2 和奶( 奶= i + 2 ) ，与各个频率相应的二阶非线性极化强 度表达式为【2 0 】： p 2 ( 国i ，z ) = 2 岛z 2 ( 一q ；鸭，一2 ) ：e ( & 码，z ) e ( 国2 ，z )( 2 - 2 - 2 2 ) 可产生各种形状需要的会聚光，容易调整，被大量使用。 3 自聚焦微透镜耦合p 3 】： 自聚焦微透镜又称为梯度折射率透镜瓶 犯) ，它是一种柱透镜，利用可变折 射率的材料制成，从而使的光在其中行进时产生连续折射最后会聚。其中间折射 率最大，然后由中心开始按径向距离的平方递减。特点是：直径很小；易加工； 光耦合效率高；价格便宜。 本文叙述了双平凸镜耦合系统，利用矩阵光学方法，推导了高斯光束经耦合 系统聚焦后束腰宽度和像距的计算公式。 3 1 1 光纤输出端口高斯光束口参数的确定 我们使用的泵浦源为武汉凌云光电技术有限公司生产的8 0 8 姗波长半导体 激光器，为单根光纤输出，光纤直径1 o m m ，输出光束数值孔径m = 0 2 2 。如图 3 1 所示。由输出光束数值孔径m = o 2 2 圈3 1 泵捆光噩大小趸化 可以得到：经传播工= 8 5 8 m m ，光斑半径由输出端口的0 5 i n r n 变为1 0 r r 衄。 假定光纤输出端口高斯光束光斑半径= 0 5 m m ，为了确定光纤输出端口高 斯光束吼参数，还必须知道光纤输出端口高斯光束等像位面益率半径的倒数m 。 根据高斯光束4 b c d 定律【3 4 ，3 5 】， ”丢措 口， 其中 去= 击一嘉洲州 ( 3 - z ， q lr l石i 2 、。 寺= 击 x _ 、 分别为两个平凸镜的焦距，q 为平凸镜 与光纤输出端口的距离，s ：为 经过耦合系统变换后高斯光束束腰与平凸镜，2 的距离，两个平凸镜之间的距离 为三。设经过聚焦系统变换后的高斯光束的束腰处的复参数为g ：，则由( 3 5 ) ， ( 3 6 ) ，( 3 7 ) 式可得 去= 丝塑坐等蔫等篇笋幽 ( 3 - s ) l1 一，、l q ，a + b m ) z + b | n z 、 在束腰处有r ：m ，即m 口向妙= o ，所以 a c + b c 七a d ) m + b d i m + n i ) = q t 3 - 9 、 经耦合系统变换后的束腰宽度为去一；1 m l 剖，即 孵一掣h 廿刳十爱一掣 j 2 1 卜峙卜卜掣 21 ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) 式( 3 - l o ) 和式( 3 1 1 ) 即为经耦合系统变换后的束腰半径和其与第二个平凸镜 的距离，由这两式可计算束腰半径和像距随不同参数的变化规律及模式匹配关 系。 ( 2 ) 束腰半径和像距随物距的变化规律 1 像距s ：随物距j ，的变化规律 计算中取 = 0 0 5 m ，2 = 0 0 5 m ，= o 0 1 m 。5 2 随毛变化的曲线如图3 3 所示，可 见，当丑大于o 0 4 m 时，s ：的变化不大。 m 图3 3 5 2 随毛的变化曲线 2 束腰半径随屯的变化规律 计算中取z = 5 ， = o 0 5 m ，三= 0 。o l m 。纾，0 2 随量变化的规律如图3 。4 所示， 可见氓，与q 成反比关系，量越大，国。越小。 w 0 2m 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 2 o 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 1 ，l 口6 圈3 4 2 随s l 的变化曲线 焉焉0 3 2 2n d ：y v 0 4 晶体能级和光谱 n d ：y v 0 4 能级如图3 5 所示，n d ：w 0 4 对8 0 9 m 有很强的吸收，处于基态 4 1 9 2 的钕离子吸收泵浦光的光子能量后跃迁到4 f 5 小4 h 蚍能级，但粒子在此能级 上的寿命很短( 约1 0 。o 秒) ，通过很快的无辐射弛豫跃迁到亚稳态4 f 3 ，2 能级上。 该亚稳态相对长的寿命( 约1 0 4 秒) 提供了可以提供粒子数反转的机理，处于4 f 3 ，2 能级的n d ”离子可以向多个终端能级跃迁并产生辐射。其中几率最大的是4 f 3 ，2 至4 1 1 l 坨的跃迁( 波长为1 0 6 4 r 皿) 。其次是4 f 3 忿至4 i 眦的跃迁( 波长1 3 4 2 r l h l ) 。 4 f 3 ，2 至4 1 9 ，2 的跃迁几率最小( 波长9 1 4 n m ) 。4 f 3 ，2 至4 1 1 3 ，2 的跃迁虽然也属于4 能级系统，但跃迁几率小。而室温下1 0 6 4 m 谱线是发射截面最大，增益最高的， 所以只有在抑制1 0 6 4 n m 激光的情况下，才能产生1 3 4 2 m 的激光。4 f 3 ，2 至4 1 9 ，2 的跃迁属3 能级系统。室温下难以产生激光。 1 4 1 2 l o 8 4 f 5 总4 h 蛇 j 、f 3 n ll 8 0 9 mi1 3 4 2 n r 8 0 9 rm 1 0 6 4 r u n ll | | 4 1 9 总 3 5n d ：w o i 晶体的能级结构 图3 6 给出了n d ：w 0 4 荧光发射谱线，从图中我们可看出n d _ w 0 4 除了在 1 0 6 4 i l l 有很强的增益外，在1 3 4 2 m 也有较强的增益，并且在1 3 4 2 n m 它的有 效发射截面仍然较大，约为6 1 0 。1 9 c m 2 。高的发射截面可获得低的激光阈值，所 以n d ：w 0 4 晶体很适合应用于中小功率的激光器件。n d ：y v 0 4 的荧光寿命决定 ；n r_府10。o暑o 了它能量储存的大小，与n d 3 + 离子的掺杂也有密切系。本课题采用掺杂o 5 a t 的n d ：w 0 4 晶体。 图3 6n d ：w o 晶体荧光发射谱线 3 2 2n d ：y v 0 4 晶体的吸收光谱 n d ：y v 0 4 晶体相比n d ：y a g 晶体，它允许掺入更多的n d ”离子而不发生浓度 碎灭效应。它是一种适合l d 泵浦的高效激光晶体，图3 7 给出了n d ：y v 0 4 吸收 谱线，纵坐标t 表示晶体的透过率。透过得越少，则表示吸收得越多。由图可 知，n d ：y v 0 4 有很强吸收截面和宽的吸收带宽，三个主吸收峰分别在7 5 0 衄、 8 1 0 n m 和8 8 0 砌附近，其中在8 1 0 m 附近吸收最强，对应的吸收光波长是 8 0 8 7 n m ，这正是l d 输出激光的中心波长。并且有非常宽的吸收带宽约为2 l 咖， 吸收系数约为n d ：y a g 晶体的1 5 倍，这使得泵浦效率大大提高，从而使所需激 光晶体的长度大大缩短，有利于l d 泵浦的固体激光器获得高功率单频激光输出。 图3 7n d ：y v 0 4 晶体吸收光谱 3 3 倍频晶体的特性与选择 固体激光器的波长几乎都在近红外区，很难利用固体激光器直接产生红光激 光。现在产生全固态红光激光的方法是利用非线性晶体，将固体激光器产生的近 红外光进行倍频、和频等频率变换以输出红光激光。非线性光学器件对晶体材料 有以下要求1 3 7 1 3 8 】： 1 透光范围宽，在工作波段具有高的透明度。 2 能够实现相位匹配。 3 有效倍频系数高。为了提高谐波转换效率，要求晶体要具有大的有效倍 频系数。大的接收角和接收带宽。 4 双折射率适中。因为如果双折射率太大会使晶体的允许角宽度变窄，太 小又会降低其实现相位匹配的能力，一般要求o 0 6 n o + 1 。 5 较高的光损伤闽值。倍频晶体的谐波转换效率正比于基波功率密度，为 了提高转换效率往往需要增加倍频晶体上的基波功率密度，抗光损伤阈值便 成了提高谐波功率输出的一个限制因素，这就对晶体的抗光损伤能力提出了 较高的要求。 6 能得到足够尺寸、光学均匀性好( 必须达到1 0 5 c m ) 的晶体，具有良好 的机械性能且易于加工，化学性能稳定。 在n d 3 + 离子激光器近红步 激光二次谐波的产生中常用的非线性晶体有 k t p 、l b o 、k d p 和b b o 等，其中最常用的当属k t p 和l b 0 。下面分别介绍 它们的特性 3 8 ，3 9 1 。 3 3 1k t p ( k t i o p 。，磷酸氧钛钾) 晶体 k t p 晶体空间群p n a 2 l ，属正交晶系m m 2 点群，为正双轴晶体，密度 2 9 5 9 c m 3 ，m o h s 硬度稍大于5 ，透光范围3 5 0 4 5 0 0 m 。具有硬度高，化学性 能稳定等优点，特别是有大的非线性系数、接受角和温度接受范围，现已广泛应 用于倍频、混频和光参量振荡等过程，特别是在对n d 离子激光器1 m 左右波 长二次谐波的产生上具有很大优势。该晶体有水热法和熔盐法两种生长方式，不 同方式生长的晶体其性质也有所差异： 水热法生长的k t p 的色散方程( 九的单位为岬，后同) 3 8 ： h ：2 11 4 6 + = 坚! 坚堕i o 0 1 3 2 咿 3 岩一( o 2 0 9 6 1 ) 2 f 3 1 2 1 玎i ! ：2 1 5 1 8 + ? 墅! 竺冬乩0 1 3 2 7 牙 一( o 2 1 8 0 1 ) 2 f 3 1 3 1 毋2 m ，e + 拦器一o 鲋 限 熔盐法生长的k t p 的色散方程【3 8 】： 疗i ：3 0 0 6 5 + ：! ：塑! 坠一o 0 1 3 2 7 名 “ 一o t 0 4 2 5 i ( 3 1 5 ) 打! ：3 0 3 3 3 + ；竺：唑! 一一o 0 1 4 0 8 牙 一o 0 4 5 4 。7 ( 3 - 1 6 ) 订；= 3 3 1 3 4 + j 器一。1 6 8 2 牙 ( 3 1 7 ) 倍频系数矩阵： o ooo 西5o l ooo d 2 4 oo l 盔1 d 3 2d o o o j 根据e i n r n a l l 近似，有西5 = 函i ，d 2 4 = 南2 。 主平面内的有效倍频系数： x y 面 d 。= d 。= 如1s i n 2 妒+ d 3 2c 。s 2 妒 y z 面 d 一= d 一= 或l 8 i n 臼 x z 面 d 删= 如2 s i n 臼 d 。= d 。= d ，2s i n p ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 3 3 2l b o ( l i b 3 0 5 ，三硼酸锂) 晶体： 三硼酸锂( l i b 3 0 s 或l b o ) 晶体空间群p n a 2 l ，属正交晶系m m 2 点群，为 负双轴晶体，密度2 4 7 c m 3 ，m o h s 硬度6 ，略微潮解，有良好的物理化学性质。 具有可透光波段范宽( 1 5 5 3 2 0 0 n m ) ，光学均匀性好，内部包络少，倍频转换 效率较高( 相当于k d p 晶体的3 倍) ，高损伤域值( 1 3 n s 脉宽的1 0 5 3 n m 激光可 达l o g w c m 2 ) ，接收角度宽，离散角度小等特性。目前它已被广泛应用n d ：y a g 、 nd w 0 4 、n d ：y l f 及n d ：y a p 等激光器的二次、三次谐波产生。 色散方程吣3 9 】： ! ：2 4 5 4 2 + ：塑! ! ! 一o 0 1 3 8 8 磐 1 斧一0 0 1 1 3 5 f 3 2 2 、 h ：2 5 3 9 0 + _ 竺! 兰l _ o o l 8 4 8 名 牙一o o l l 8 9 ( 3 2 3 ) 竹；= 2 5 8 6 5 + j 器一。1 8 6 l 牙 ( 3 2 4 1 倍频系数矩阵： f ： ： ：曼台： o oo d 2 4 o o i l 以t 以：以， oo o j 根据砌e i i l t l l a n 近似，有函5 = 鸸i ，d 2 4 = 鸸2 。 主平面内的有效倍频系数： x y 面d 删= d 卯e = d 3 l 8 i i l 2 妒+ d 3 2c 0 8 2 p ( 3 2 5 ) y z 面 d 一= d 一2 如l 3 i n 臼 ( 3 2 6 ) x z 面 d 一= d 3 2 s i n 臼 ( 3 2 7 ) d 。= d 删= 以2s i n 口 ( 3 2 8 ) 选择倍频晶体时，要考虑到晶体的匹配类型、走离角、有效非线性系数、匹 配角度、接受角、接受带宽等参数。它们一方面决定着对倍频晶体的切割角度和 长度的选取，另方面也作用于激光谐振腔的设计。表2 【5 1 列出了典型的倍频参 数值。 表2 l ( t p 和l b o 晶体的1 3 4 2 m 一6 7 l n m 倍频典型参数 t h b l e1p a r a m e t e r so f1 3 4 2 m nc p m f r e q u e n c yd o u b l i n go f d i 仃e r e n tn o n l i n e a rc r y s t a l s c r v s t a l sk t pl b ol b 0 c r i t i c a lp h a s em a t c h i n g t y p e - i i1 抑e it y p e - i i 酬k o f ra n g l ep ( m r a d )4 4 - 33 43 2 3 n o n l i n e a rc o e 伍c i e n td e f f ( p r n v )2 8 4o 8 1 70 6 4 5 m a x i m 啪w o r k i n gi e n 寸hl m “( m m ) 2 63 4 13 5 9 d e f r l m “( m mp m ，v ) 7 3 82 7 8 62 3 1 6 由表2 可以看出，l b o 晶体的有效非线性系数( d c f r 值) 明显小于k t p ，但却 具有走离角小、接受角大的优点。根据由走离效应决定的倍频晶体最大作用长度 ( m a ) 【1 公式【4 0 1 ， l 。= 1 1 6 ，p ( 3 2 9 ) 其中，为基频激光束半径，p 为走离角。( 3 2 9 ) 式表明，对于走离角很小 的l b o 晶体，即便是很小的仍能获得足够的l m 。值。而小，会增加腔内经 过l b o 的基频光功率密度，从而提高倍频效率。因此，我们选用较长的i 类i 临 界相位匹配l b o 晶体( 1 4 m m ) ，并在谐振腔设计中用相对小的光腰尺寸来获得 高的倍频转换效率。 第四章全固态n d ：y v 0 4 l b o 红光激光器研究 4 1 激光晶体热效应分析 l d 泵清的固体激光器与传统的灯泵激光器相比，具有高效、长寿命、全固 化、热效应小等优点。其发射光谱与激光晶体的吸收谱相匹配，从而热吸收减小， 热效应较灯泵激光器要小得多。但是客观存在的热效应毕竟还是对激光材料特性 和激光特性具有一定的影响，而研究半导体激光泵浦的固体激光器中的激光晶体 的热效应问题，对提高激光输出功率和光束质量都是十分必要的。 4 1 1 激光晶体热效应 端面泵浦的热透镜模型出现了不少的报道。多集中在各向同性的n d ：y a g 晶 体上，对各向异性的n d ：y v 0 4 晶体的热模型却鲜有报道。在理论分析之前先作 如下假设：( 1 ) 激光介质的物理特性不随温度变化，也就是说温度分布不会比晶 体周围的温度变化太大；( 2 ) 介质侧面为传导冷却，与周围热沉的热交换系数很 大，且热沉采用水冷，散热足够快，则介质侧面的温度为常数( 假设为0 ) ；( 3 ) 介 质端面为空气对流冷却，从两端面和空气热交换流出的热量远远小于从晶体侧面 通过传导流出的热量，因此可假设晶体的两端面绝热；( 4 ) 泵浦光束为圆形高斯 分布；( 5 ) 激光介质为各向异性，其几何轴与导热率主轴重合。 由于激光晶体内部有热源，则晶体内部热传导遵守p o i s s o n 方程： 窘+ 号雾+ 专窘+ 窘+ 鲁= 。 降， a r 。，a r，。a 口2a z 2 兄 、 其中：g 为热功率密度。既单位体积内发热率，五为晶体导热系数或称为热导率。 并且在建立的热模型中，泵浦光源、激光晶体内热源均具有轴对称性，其温度场 与妒无关，即“( r ，p ，z ) = “( r ，z ) 。 由热流线为径向假设，在晶体内部z = z 处，取一个出宽度圆盘片，圆盘片 中的温度场由该圆盘片内部热源产生，则计算z = z 处出宽度圆盘中温度场时可 以看成一维问题，既把z 看成常数。方程( 3 1 1 ) 化简成 也 c 2 图4 - 1 圆环形热源产生的温度场 4 1 - 3t e m 模基频光产生的温度场 t e m o o 模基频光产生的温度场”由p r 圆柱壳热源产生的温度场“- 叠加组成，则 “= ”：= r 幽：+ r 如， ：一每【l n 素re _ 2 寿p 印+ r 。一2 告p h 詈和】 ( 4 m ， 计算晶体内各点温度数值时，可将半径离散成4 p 代替d p 进行数值计算。 4 1 - 4 激光晶体的温度场图形分析 n d ：w 0 4 晶体是目前应用于二极管激光器泵浦的最广泛的激光晶体之一。 n d ：y v 0 4 晶体掺杂离子浓度为o 5 a t ，对于泵浦光的吸收系数为1 4 8 c m ，径 向热传导系数5 4 w m 依【4 孙。图4 2 给出了二极管激光器的泵浦功率为2 5 w ，泵 浦高斯光斑半径矽为4 0 0 岬，激光晶体半径r 为1 5 m m ，晶体的通光长度l 为6m m ，n d ：y v 0 4 晶体内温度场三维分布图。 图4 3 给出了在相同条件下，n d ：y v 0 4 晶体内等温线分布图。从图可以看出 靠近轴和泵浦源一端的温度比其他地方明显商出很多。这种局部温场的升高会引 起晶体对于谐振激光折射率的改变，影响激光器输出的稳定性。 图4 2 单端聚浦激光晶体三维温度场圈 z ，_ i m 图4 3 单端泵浦激光晶体内等温线分布 泵浦光半斑的大小应与激光晶体内基模半径满足模匹配条件，而模匹配问题 对于高功率端面泵浦固体激光器的优化具有重要意义。单端泵浦下，调节泵浦源 输出功率p = 2 5w 时，如果泵浦光斑矿分别为3 5 0 岬，3 7 0 岬，4 0 0 岬，4 5 0 m 时，考察在激光晶体内部z = 三2 横截面上温度分布，如图4 4 所示。从图中可 以看出：其他条件不变，如果泵浦光半径变化时，远轴处激光晶体的温度基本不 变，近轴处激光晶体的温度将随泵浦光半径的减少而增加。 r n m 图4 4 激光晶体的温度将l 嘭臣浦光半径的变化情况 泵浦源输出功率改变时对激光晶体内部温度场影响的分析。单端泵浦方式 下，泵浦光斑半径为4 0 0 u m ，调节泵浦源工作电流的大小，当泵浦功率分别为 1 0 w ，1 5 w ，2 0 w ，2 5 w ，3 0 w 时，考察在激光晶体内部z = 上2 横截面上温 度分布，如图4 5 所示。从图中可以得出泵浦光功率的改变对激光晶体近轴处温 度影响较大。 2 ，考虑像散后，弧矢面和子午面内高斯光束的模参数不同，稳定折叠腔内的本 征模式为椭圆高斯光束，像散造成稳定区域的减小。 丘 蝎、： 图4 6 三镜v 形折叠腔示意图 图4 7 与圈4 6 等效的直线腔 下面我们采用a b c d 传输矩阵理论和g 参数方法来讨论三镜折叠腔的光束 传输特性及稳定性条件，图4 6 即为三镜v 形折叠腔光路示意图。在不考虑像散 的条件下，折叠腔可以展开为多元件直腔来分析，以镜蚴为参考面，可以将图 4 6 所示的折叠腔等效为图4 7 所示的直