（光学专业论文）ld泵浦的266nm全固态紫外激光器研究.pdf

摘要 紫外激光在工业、医疗和科学研究等领域有着广泛的应用，而l d 泵浦的全 固态紫外激光器已经成为新一代紫外激光光源，属于激光器件研究领域的前沿性 课题，本文围绕全固态紫外激光器进行了理论分析和实验研究。 第一章介绍了紫外激光的特点和应用以及l d 泵浦的2 6 6 n m 全固态紫外激 光器研究概况。第二章阐述了v 型折叠腔的设计理论；从激光器速率方程出发， 对调q 激光器的峰值功率、脉冲能量与脉冲的时间特性等参数进行了分析，并 对声光调q 技术进行了研究第三章阐述了二次谐波产生的机理，分析了相位 匹配原理和相位匹配方法，以及匹配宽度等问题，并总结了常用倍频晶体特别是 四倍频晶体的特性。第四章分析了n d ：y a g 晶体的光学特性，设计了一台l d 侧 面泵浦的n d ：y a g l b o b b 0 声光调q2 6 6 n m 全固态紫外激光器采用腔内二倍 频腔外四倍频的方式，在泵浦电流2 3 a ，重复频率7 3 k h z ，绿光注入功率1 0 5 5 w 时，获得了平均功率2 1 1 m w 的2 6 6 n m 紫外激光输出。第五章为本论文的总结和 展望。 关键词：2 6 6 n m 全固态紫外激光器n d ：y a g 折叠腔倍频调q a b s t r a c t u vl a s e ri sw i d e i yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r y , m e d i c a lt r e a t m e n t ，a n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h l d - p u m p e da l l - s o l i d s t a t eu v l a s e rh a sb e c o m ean e wu vs o u r c e t h i s d i s s e r t a t i o nh a sm a d es o m et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls i n d ya r o u n da l l - s o l i d - s t a t e u v l a s e n i nt h ef i s tc h a p t e t h ea p p l i c a t i o n so fu vl a s e ra n dt h ed e v e l o p m e n to fl d - p u m p e d a l l s o l i d - s t a t e2 6 6 n mu vl a s e ra r ci n t r o d u c e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h et h e o r yo f f o l d e dc a v r yi sd i s c u s s e d ；b a s e d0 nt h er a t ee q u a t i o n s ，t h ep e a kp o w e r , t h ep u l s e e n e r g ya n dt h et i m eb e h a v i o ro fq - s w i t c h e dl a s e ra r es t u d i e d ；t h ec h a r a c t e r so fa - o 0 - s w i t c h i n ga r ea l s od i s c u s s e d i nt h et h i r dc h a p t e r , t h es h gt h e o r yi sd i s c u s s e di n d e t a i l ；t h ep r i n c i p l ea n dt h em e a n so fp h 踮c m a t c h i n ga l ei n t r o d u c e d ；a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a ro p t i c a lc r y s t a la r cg e n e r a l i z e d i nt h ef i f t hc h a p t e r ，t h e o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fn d ：y a ga l es t u d i e d u s i n gi n t r a c a v i t ys h g a n de x t r a c a v i t y f h g t e c h n i q u e ，w ed e s i g n e dal ds i d e - p u m p e dn d ：y a g l b o b b oa - o0 一s w i t c h e d 2 6 6 n mu vl a s c lt h ea v e r a g ep o w e ro f2 1 1 m wa t2 6 6 n mw a so b t a i n e dw h e nt h e i n p u tc u r r e n tw a s2 3 a a n dt h er e p e t i t i o nf r e q u e n c yw a s7 3 k h z t h el a s tc h a p t e ri st h e s u m m a r i z a t i o na n ds u g g e s t i o no ft h ep a p e r k e yw o r d s ： 2 6 6 n m ，a l l s o l i d - s t a t e ，u vl a s e r n d ：y a g f o l d e d c a v i t y , f r e q u e n c y - d o u b l i n g , o - s w i t c h i n g 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。 霎差姜妻纂篓薹霎i 璺指导教师签名：兰壁学位论文作者签名：乏垒当丝茎鱼! 指导教师签名：! !：! ： z 矽p ， 年f 月9 日埘年占月占日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北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 明并表示谢意。 学位论文作者签名至世辛李、 1 刀0 年月9 日 | 第一章引言 紫外激光在工业、医疗和科学研究等领域有着广泛的应用，而l d 泵浦的全 固态激光器兼备了半导体激光器和固体激光器的优点，所以国际上对全固态紫外 激光开展了大量的研究随着l d 功率的提高，新型紫外非线性晶体材料的发现 以及各种倍频技术的成熟，l d 泵浦的全固态紫外激光技术获得了迅速的发展。 本章介绍紫外激光的特点和应用以及u ) 泵浦的2 6 6 n m 全固态紫外激光器研究概 况。 1 1 紫外激光的应用 从1 9 6 0 年梅曼( m a i m a n ) 研制成功第一台激光器以来，激光理论与技术获 得了飞速的发展，对人类的生产生活和科学研究都产生了深远的影响，其应用已 遍布工业、军事、科技、通信和娱乐等领域。紫外激光具有波长短、聚焦性能 好、光子能量高和冷处理等特点，还能激发特定的光化学反应，因而在工业、医 疗和科学研究等领域有着广泛的应用： 1 材料加工与处理【m 】 衍射现象限制了光束聚焦光斑所能达到的最小尺寸，波长越短，就可以获得 越小的聚焦光斑，这就意味着短波长的紫外激光可以加工更微小的部件；在材料 加工中红外和可见激光利用其聚焦到工作点的热量来融化材料，是“热”加工过 程，会产生热响应区域从而影响了加工的质量，而高能量的紫外光子可以直接打 断化学键，材料在热传导很少的情况下蒸发，热响应区域小，是“冷”处理过程， 大大提高了加工质量；再加上紫外光可以被大多数材料有效吸收，所以紫外激光 在材料加工领域的应用越来越广泛。另外紫外激光能激发特定的光化学反应，尤 其是能激励简单的单光子化学反应和光电发射，从而控制表面化学现象。紫外激 光还可提供有关过程的高空间分辨率，再加上各种材料对它的响应不同，所以可 以利用其观察低闽值激光的熔融效应。 在激光刻蚀和沉积中利用高功率连续波紫外光源可增大写入速率，减少材料 表面性能对刻蚀和沉积的影响。聚苯亚胺和聚酯薄膜等聚合物材料易于用脉冲紫 外激光切割和成型，非常适合制作显微外科、液体控制和传感元件。虽然紫外氙 灯常用在硅片制造中的大面积外延中，但红外探测器列阵等i i i v 族集成光学应 用中的高级器件的选择部位沉积或调制则需要使用紫外激光。 1 0 6 4 n m 闪光灯泵浦n d ：y a g 激光器一直占据着激光标刻市场，红外激光通 过在材料表面产生热蚀进行标记，在材料的表面会留下炭化区或其他损伤。这在 医疗和食品器械的制造方面受到很大限制，因为这些器械表面的破损会容留细 菌，对人类的健康构成威胁。紫外激光标刻与之有根本不同：紫外激光通过光化 学效应改变植入塑料内部颜料的光谱特性在材料表面产生高对比度的标记，而不 会损伤材料表面，从而保证了医疗和食品器械的加工质量。 紫外激光还可以用在纺织品的表面处理上，被处理材料的结构变化仅仅局限 在表层。而不会影响纤维材料的本体性能。它可以在特定区域进行无接触的表面 物理处理，也可以在不使用化学助剂的条件下改变聚合物表面的物理化学性质。 激光表面改性可以提高高聚物纤维的染色效果，在纺织品印花中也可以获得更为 精细的图样，还可以提高复合材料中纤维的粘合性能，并且能够增强聚合物对液 体或尘埃的过滤作用。 2 用于环境监测【 1 紫外激光是激光质谱法常用的激励光源激光质谱法把共振增强多光子电离 ( r e m p l ) 和飞行时间质谱( t o f m s ) 合了起来，该方法选择性高、灵敏度高、 速度快，而且可以对多组份同时进行分析，是对气态污染物进行检测的一种新方 法，特别适合于实时动态监测。 很多物质在受到紫外光照射时会发出能反映该物质特征的荧光，通过荧光光 谱可以对污染物进行定性或定量分析，激光荧光光谱分析已成为环境污染监测的 一种有效方法。激光荧光遥感器可能是目前唯一能够区别海草油污染和探测海滩 溢油的遥感器，也是目前唯一探测冰、雪油污染的可靠手段。 3 生物学和医学中的应用1 8 - 1 0 , 2 】 利用紫外激光和光镊可以实现人工授精：用紫外激光微辐射仪将卵母细胞的 透明带打开，再用光镊捕获精子将其送至透明带的缺口，使卵母细胞和精子直接 接触，促进了精子与卵母细胞的融合。1 9 8 4 年，日本理化研究所用三倍频y a g 激光( 波长3 5 5 n m ) ，对体外培养的n r k 细胞( 大鼠肾细胞) 打孔，基因物质 通过此孔流入细胞，从而首次实现了利用激光微束对细胞打孔导入外源基因的实 验。 早在激光器发明的第二年，也就是1 9 6 1 年，红宝石激光就用于眼科的视网 膜凝固治疗，从此开始了激光在医学方面的应用。医用紫外激光已用于下列领域： 用选择性脉冲激光研究生物分子的光化学；眼科和心脏科的组织切除：用作大面 积组织的光医学实验的光源等。紫外激光光子能量高，可通过光化学效应直接打 断组织细胞的分子键，精确汽化各种组织的斑块，在很大程度上避免了周围组织 的热损伤，可以准确切割各种生物组织采用紫外激光汽化动脉粥样硬化斑块， 使血流畅通，可取代心脏旁通手术和血管成形手术紫外激光在软组织中的穿透 深度浅，不会对深部组织造成损伤，特别适合于对精度和安全性要求极高的眼科 手术，可以利用紫外激光在角膜上切出细线供晶状体重新成形，已应用于近视、 远视、散光和角膜疾病的治疗在牙科中紫外激光还可以用作牙钻，在数秒钟之 内就能打出小孔而不损伤周围组织，非常适用于小型牙科手术连续波紫外激光 系统可用于流动细胞测量术，还可与光动力学治疗结合用于癌症的诊断。利用激 光( 最佳激发波长在3 6 0 n m 4 1 0 n m 之间) 激发正常和癌变生物组织产生自体荧 光光谱的不同来检测与诊断肿瘤也很有发展前景。 4 在基础科学研究中的应用【8 1 1 t1 2 】 在采用瑞利散射方法进行分子流场检测时，散射光强i , x i x 4 ，再加上多数 材料对短波光线的反射率较低，所以利用紫外激光能够在很大程度上提高检测的 信噪比从而获得高清晰的瑞利散射图像。基于脉冲啁啾放大( c p a ) 技术的高强 度紫外超短脉冲激光系统作为惯性约束核聚变( i c f ) 快速点火的驱动器有诸多 优势：紫外激光临界密度大，产生超热电子的区域靠近燃料区，简化了能量输运 过程；在快速点火要求的强度下( 1 0 2 0w e r a 2 ) ，紫外激光刚好可以产生能与燃料 区高效率耦合的超热电子温度( 1m e v ) ；紫外激光聚焦性能好，所以在较低的能 量下也能够达到所要求的强度。另外紫外超短脉冲激光在小型超快中子源、激光 化学以及激光生物学等众多领域有着广泛应用。 1 2l d 泵浦的2 6 6 n m 全固态紫外激光器研究概况 与传统的产生紫外激光的激基激光器、染料激光器、准分子激光器、n 2 激 光器以及三、四倍频闪光灯泵浦固体激光器相比，l d 泵浦的全固态紫外激光器 体积小、价格低、效率高、寿命长、可靠性高、重复率高、光束质量好、功率稳 定且使用维护方便。因此，对全固态紫外激光器的研究是一个十分重要的课题， 已经成为近年来激光研究和应用领域的一个热点。固体激光的波长几乎都在近红 外区，很难利用固体激光器直接产生紫外激光。现在产生全固态紫外激光的方法 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 输出紫外激光。其中对n d 激光器1 0 6 4 n m 近红外激光四倍频( 两次倍频) 产生 2 6 6 n m 紫外激光是一种非常有效的方法，随着全固态绿光激光技术的成熟和新型 紫外非线性晶体的涌现而获得了很快的发展。 1 9 9 5 年索尼报告通过用k t p 晶体腔内倍频从1 1 ) 泵浦的n d ：y a g 激光中产 生2 9 w 的二次谐波，再使用环型外部谐振腔。通过位相转换器和音圈型电磁仪 决定反射镜位置，用5 m m 长的b b o 晶体得到了输出功率为1 5 w 的2 6 6 n m 连续 波紫外激光；同年大阪大学发现了c l b o ( c s u b 6 0 t 0 ) 晶体1 列，之后四次谐波 的输出功率得到了大幅度的提高；1 9 9 6 年大阪大学使用重复频率为1 0 h z 的 n d ：y a g 激光器发出的= 次谐波，通过长1 0 r a m 的c l b o 晶体，产生了5 w ( 5 0 0 m j 、1 0 h z ) 的四次谐= 波输出，相应的绿光紫外转换效率达5 0 ，其单脉冲 能量相对于以前用b b o 晶体获得四次谐波输出的典型值( 几十个毫焦) 相比获 得了很大提高【1 6 l ：1 9 9 7 年大阪大学与u s h i o 使用长3 1 r a m 的c l b o 晶体，在 重复率为1 0 0 h z 时，获得四次谐波输出达到9 7w ；1 9 9 8 年大阪大学与u s h i o 通过将全部晶体的温度提高到1 3 0 c ，再往端面喷射气体进行冷却来解决由于热 位相偏差造成的转换效率的下降，在重复率为1 0 0 k h z 时，产生的四次谐波输出 达1 0 6 w 1 3 1 ；文献 1 7 1 报道了利用4 w 的l d 泵浦n d ：y v 0 4 ，腔内倍频输出5 3 2 n m 绿光，再利用b b o 晶体进行外腔谐振倍频，当绿光注入功率5 0 0 r o w 时，获得 了1 0 0 r o w 的2 6 6 n m 连续波紫外激光，稳定运行时间超过1 0 0 0 小时；美国相干 公司研制了1 0 0 h z 的n d ：y a g 激光器，经频率变换后得到了5 w 的功率稳定且 光束质量均匀的2 6 6 n m 激光，连续工作5 0 小时功率偏差不超过5 i ”】；2 0 0 4 年 j u ns a k u m a 报道了对全固态n d ：y v 0 4 内腔倍频绿光激光器，利用布儒斯特角切 割的c l b o 晶体进行外腔谐振倍频，获得的2 6 6 n m 连续波紫外激光输出功率达 到5 w ，在晶体内部则为6 1 w ，相应的转换效率高达6 1 8 1 ”】 由于高重复频率时吸收紫外激光产生的热效应和对晶体的破坏以及缺少大 功率绿光激光系统等原因，限制了重复频率在k h z 以上的紫外光的输出功率， 随着高熏复率大功率绿光激光光源的发展和非线性晶体性能的改善，高重复率紫 外激光的输出功率不断提高：1 9 9 7 年在重复频率为l k h z 时获得了2 5 w 的2 6 6 n m 激光输出；1 9 9 8 年在5 k i - i z 的重复频率下功率达到6 6 w ；2 0 0 0 年，t e t s u ok o j i m a 等人报道利用i d 泵浦的n d ：y a g 调q 激光器产生1 0 5 8 w 的5 3 2r i m 绿光，在 重复率1 0 k h z 时聚焦到长i s m m 的c l b o 晶体上，产生的2 6 6 n m 紫外激光平均 输出为2 0 5 w ，从绿光到紫外光的转换效率为1 9 4 刚；后来，在c l e o ，2 0 0 1 会议上报导输出功率已经达到了2 3 w 2 。 国内在全固态紫外激光器领域的研究起步较晚，跟国外相比还有较大差距， 下面是国内的研究成果( 包括灯泵的情况) ：1 9 9 9 年，西安光机所陈国夫等在国 内首次报道了全固态紫外激光器的实验结果 z z , 2 a l ，他们用两只标称1 5 w 的半导 体激光器泵浦n d ：y v 0 4 产生1 0 6 4 r i m 近红外光，腔内k t p 倍频输出5 3 2 n m 绿光， 腔外再搭建环形谐振腔用b b o 晶体倍频得到2 6 6 n m 连续紫外激光输出，接收器 接收到的紫外激光最大5 v ，不过没有输出功率报道；上海光机所张秀荣等用 c l b o 晶体在n d ：y a o 调q 激光器上获得4 6 3 m w 的2 6 6 n m 激光( 2 4 l ；山东师范 大学何京良等用k t p 晶体和b b o 晶体对l d 抽运n d ：y v 0 4 声光调q 激光腔外 二倍频和四倍频，在抽运功率7 9 w 重复频率1 2 5 k h z 时获得平均功率6 3 m w 的 2 6 6 n m 紫外激光瞵】：长春光机所的研究人员用1 3 w 的l d 泵浦n d ：y a g 腔内 l b o 倍频c 一：y a g 被动调q 产生平均功率2 7 m w 重复频率1 6 1 d i z 的脉冲绿光， 将其聚焦到b b o 晶体上获得了平均功率1 2 m w 的2 6 6 n m 紫外激光【2 6 】i 文献【2 7 】 在l d 阵列侧面泵浦n d ：y a g 声光q 调制k t p 腔内倍频准连续绿光器腔外用 b b o 倍频获得了3 3 5 m w 的2 6 6 n m 紫外激光，用k a b o 倍频获得了1 r o w 左右 的2 6 6 n m 紫外激光；文献【2 8 】在重复频率1 0 h z 的灯泵n d ： y v 0 4 锁模激光器上用 b b o 二倍频k a b o 四倍频，在绿光注入能量3 1 m j 时获得了0 4 m j 的2 6 6 n m 激 光；文献【2 9 】在锁模n d ：y a g 激光器上利用b b o 二倍频k b b f 四倍频获得了 0 8 4 m j 的2 6 6 n m 紫外激光；文献【3 0 】利用高平均功率、低峰值功率和短脉冲的 n d ：y a g 激光器对顶部籽晶法生长的c l b o 晶体进行了紫外倍频性能的测试， 1 0 6 4 n m 基波平均输出功率为1 0 w ，脉冲宽度约1 0 p s ，脉冲峰值功率1 2 k w ，重 复频率8 1 2 5 m h z ，用k t p 晶体二倍频c l b o 四倍频，获得的2 6 6 n m 激光功率 达到了7 8 0 r o w 本小组研制了l d 侧面泵浦的n d ：w 婚，】0 b b o 声光调q2 6 6 n m 紫外激光 器，采用腔内二倍频腔外四倍频的方式，在泵浦电流2 3 a ，重复频率7 3 k h z ， 绿光注入功率1 0 5 5 w 时，获得了平均功率2 1 1 m w 的2 6 6 n m 紫外激光。 5 6 参考文献 m a r kg i t i n 半导体泵浦紫外激光器现代科学仪器，1 9 9 9 ( 4 ) ：3 9 4 1 j re d e n ，南山紫外和真空紫外激光及其应用前景国外激光1 9 8 9 ，( 2 ) ：1 6 粱少华激光表面处理技术在纺织品上的应用印染，2 0 0 1 ，( 4 ) ：5 0 5 2 魏杰，郑海洋。章莲蒂。等激光质谱法对机动车尾气中污染物的实时监测物理，2 0 0 1 ， 3 0 ( 1 2 ) ：7 7 8 7 8 1 李子尧，魏杰，张冰，等激光质谱法：原理及其在环境监测中的应用量子电子学报， 2 0 0 1 ，1 8 ( 1 ) ：l 8 刘文清，崔志成，董风忠环境污染监测的光学和光谱学技术光电子技术与信息，2 0 0 2 ， 1 5 ( 5 ) ：1 1 2 7 李四海海上溢油遥感探钡l 技术及其应用进展遥感信息，2 0 0 4 ，( 2 ) ：5 3 5 7 8姚建铨奇异的光激光北京：清华大学出版社：广州：暨南大学出版社，2 0 0 0 1 “ 1 7 7 9 陈家鐾激光原理及应用北京：电子工业出版杜，2 0 0 4 1 8 4 1 9 5 1 0 张阳德，王毅，魏辛，等医用多波段激光器的研制及应用中国医学工程，2 0 0 4 ，1 2 ( 4 ) ：5 7 5 9 1 l 汤秀章，张海峰，陶业争，等紫外超短脉冲激光的放大中国原子能科学研究院年报， 2 0 0 1 ，6 8 1 2 陶业争，李业军，单玉生，等与i c f 快点火相关的激光等离子体研究中国原子能科 学研究院年报，2 0 0 1 ，鹋 6 1 3 陈艳，晓晨全固体化紫外激光技术激光与光电子学进展，2 0 0 0 ，( 5 ) ：1 9 2 2 1 4y u s u k em o i l ，i k u ok a r o d a ，s a t o s h in a k a j i m a ，e ta 1 n e wn o n l i n e a ro p t i c a lc r y s t a l ：c e s i u m l i t h i u mb o r a t e a p p l p h y s l e t t 1 9 9 5 ，6 7 ( 1 3 ) ：1 8 1 8 1 8 2 0 1 5y u s u k em o i l ，i k u ok u r o d a ，s a t o s h in a k a j i m a ，e ta 1 n o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e so fc e s i u m l i t h i u m b o r a t e j p n j a p p l p h y s 1 9 9 5 ，3 4 ( 3 a ) ：l 2 9 6 一l 2 9 8 1 6y ky a p ，m i n a g a k i ，s n a k a j i m a ，e ta 1 h i g h - p o w e rf o u r t h h a r m o n i cg e n e r a t i o no fa n d ：y a gl a s e r 蛐m e a n so fuc s l i b 6 0 1 0 o p t l e t t 1 9 9 6 ，2 1 ( 1 7 ) ：1 3 4 8 - 1 3 5 0 1 7kk o n d o ，m o k a , h w a d a ，e ta 1 d e m o n s t r a t i o no fl o n g - t e r mr e l i a b i l i t yo fa2 6 6 - n m ， c o n t i n u o u s - w a v e ，f r e q u e n c y - q u a d r u p l e ds o l i d - s t a t el a s e ru s i n g 芦一b a b 2 0 ( o p ll c t t 1 9 9 8 ， 2 3 ( 3 ) ：1 9 5 - 1 9 7 1 8 芙盈相千公司的高能紫外激光器的进展光机电信息，2 0 0 0 ，1 7 ( 1 ) ：3 3 1 9j u ns a k u m a 。 i c h la s a k a w a , 1 m j n o r uo b a r a g e n e r a t i o no f5 - wd e e p - u vc o n l i n u o u s - w a v e r a d i a t i o na t2 6 6 衄b y 缸e x * e r n a lc a v i t yw i t hac s l i b 6 0 1 0c r y s t a l o p t l e t t 2 0 0 4 ，2 9 ( 1 ) ： 9 2 9 4 2 0t e t s u oz o j t m a , s u s u m uk o n n o ，s h n i c h if u j i k a w a ，e ta 1 2 0 - wu l t r a v i o l e t - b e a mg e n e m t i o nb y f o u r t h - h a r m o n i cg e n e r a t i o no f 柚a l l - s o l i d - s t a t el a s e r o p t l e t t 2 0 0 0 ，2 5 ( 1 ) ：5 8 - 6 0 2 1zk a n l l m u f a ，s f e k u m o t o ，r o n e ，e ta 1 e n h a n c e m e n to fc s l i b d 3 1 0s u r f a c e - d a m a g e r e s i s t a n c eb yi m p r o v e dc r y s t a l l i n i t ya n di o n - b e a me t c h i n g o p t l e t t 2 0 0 2 ，2 7 ( 8 ) ：6 1 6 - 6 1 8 2 2 陈国夫，杜戈果壬贤华l d 泵浦n d ：y v o d k t p b b o 紫外激光器光子学报，1 9 9 9 2 8 ( 8 ) ：6 8 4 6 8 7 2 3 陈国夫，王贤华，杜戈国全固态紫外激光器研究光予学报，1 9 9 9 ，2 8 ( 9 ) ：7 8 5 7 8 2 4 张秀荣，张顺兴，柴耀新型非线性晶体c l b o 的应用研究人工晶体学报，2 0 0 0 ，2 9 ( 5 ) ：2 1 5 2 5 何京莨卢兴强，贾玉磊等b b o 四倍频全固态n d ：y v 0 4 紫外激光器物理学报，2 0 0 0 ， 4 9 ( 1 0 ) ：2 1 0 6 2 1 0 8 2 6 周城，叶子青，郑权，锦c r “：y a g 被动调q 绿光激光器及其腔外倍频2 6 6 n m 激光的 研究光学技术，2 0 0 3 ，2 9 ( 2 ) 1 4 8 1 5 0 2 7 侯玮博士学位论文中嗣科学院物理研究所，北京，2 0 0 1 6 5 7 4 2 8l uj u n - h u a ，w a n gg u l - l i n g ，x uz u - y a n ，e ta 1 e f f i c i e n t2 6 6 n mu l t r a v i o l e tb e a m g e n e n t i o ni nk 2 a 1 2 8 2 0 c r y s t a l c 瑚n p h y s i 同盹2 0 0 2 ，1 9 ( 5 ) ：6 8 0 - 6 8 1 2 9g u i l i n gw a n g , c h e n g q l a nz h a n g ，c h u a n g t i a nc h e n ，e ta 1 h i g he f f i c i e n c y2 6 6 - n mo u t p u to fa k b e 2 b f 2c r y s t a l a p p l o p t 2 0 0 3 ，4 2 ( 2 1 ) ：4 3 3 1 - 4 3 3 4 3 0 孙同庆，王晓青，沈光球，等c l 8 0 晶体生长与紫外倍频性能研究人工晶体学报， 2 0 0 4 ，3 3 ( 2 ) ：1 3 3 1 3 6 7 第二章 折叠腔设计与q 调制理论研究 谐振腔理论和速率方程理论是进行激光器设计的重要依据，本章首先阐述v 型折叠腔的设计理论【1 t2 1 ，然后从速率方程出发，对调q 激光器的峰值功率、脉 冲能量与脉冲的时间特性等参数进行分析【3 , 4 1 ，最后研究声光调q 技术【5 1 。 2 1 折叠谐振腔设计理论 在激光器中，光学谐振腔是实现正反馈、选模和起输出耦合作用的部件，它 直接关系到激光的输出功率、模式特性、稳定性和光束质量，并最终影响到所获 得激光的应用效果。文献c 6 列举了在固体激光器的研究中光学谐振腔受到广泛 重视的原因： 1 激光器的能量( 功率) 提取效率叩。主要由谐振腔决定，选择合适的几何结构 和对谐振腔的优化设计可以提高t 7 。，从而可以提高激光器的总效率，7 ； 2 激光器的输出光束质量也与谐振腔有关，而提高输出功率( 能量) 和光束质 量的要求又常是有矛盾的。针对不同固体激光介质及其几何结构和输出功率要 求，须选择合适的谐振腔，才有可能获得满足实际应用要求的高光束质量激光输 出： 3 在某些实际应用中，工作环境不理想，这就要求激光器对因机械振动、热扰 动等引起光腔的失调不敏感，需要研究对失调不敏感的光学谐振腔； 4 固体激光嚣的热效应( 包括热透镜效应、热致应力双折射和退偏等) 是一个 必须认真考虑的问题，为此需要研究含热透镜谐振腔的动态工作特性和动态稳定 性，以及应力双折射和退偏补偿等问题。 j s t c f f c n 等最先提出了热稳腔、动态稳定腔( d y n a m i cs t a b l er e s o n a t o r ) 的概 斛删，在这种腔中激光介质内的基模半径对于热焦距的变化不敏感。v m a g n i 等对于灯泵浦固体激光器谐振腔的设计进行了深入研究，发现热稳条件下激光介 质内基模半径与腔的热稳范围存在反比关系【9 4 。另外，腔内倍频的输出功率与 倍频晶体上基频光束的腰斑成反比，即基频光束尺寸越小，越容易获得高功率的 倍频激光输出。不过聚焦点也不是越小越好，而是存在一个聚焦函数。对倍频晶 体k t p 和l b o 而言，最佳聚焦点光斑大小约为几十微米，而增益介质处腔模半 径大约几百个微米，因此用简单的共轴直线谐振腔是无法同时满足这两个条件 的。而利用折叠腔可以很好地解决这一矛盾，另外折叠腔还可以实现双通倍频、 单向输出，大大提高倍频效率，同时可以使激光晶体与倍频过程分离而避免激光 晶体对倍频光的吸收，因而在高功率腔内倍频激光器中获得了大量的应用。 在谐振腔光路中，当使用反射镜将光路折叠时就构成折叠腔。折叠腔是驻波 腔，另外由于折叠反射镜一般工作在离轴位置而引入像散，因此折叠腔又是像散 腔。折叠腔内的光束具有以下传输特性i z j ： 1 高斯光束可以作为稳定折叠腔内的本征模存在。不考虑像散时，可以按照对 一般多元件光学谐振腔的方法对折叠腔进行分析。在腔的两端，高斯光束等 相位面的曲率半径等于反射镜的曲率半径。 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。 l 1 、 1“。11 “1 1 l o 、l 2 m 2 m x 、 m 3 图2 - 1 三镜v 形折叠腔示意图 m 1 m 2 m 3 图2 - 2 与图2 - 1 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2 - 1 即y g _ - - 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，以镜尬为参考面，可以将图 2 - 1 所示的折叠腔等效为图2 2 所示的直线腔。 假设m 1 与m 2 之间的距离为f 1 ，m 2 与m 3 之间的距离为1 2 ，m 1 与m 3 的曲率 半径分别为r 1 和r 3 ，m 2 的焦距为，光线在腔内往返一周的变换矩阵为 m = ( 芸三) 。( ：) ( 二2 ，玛? ) i：) e 2 ，r? ) g t ， 其中 g 抛* ，狐铲 专卜等f f 一三 l 一生 | 由商斯光乘目牙冉现条件卅求得谮搬腔阳裙足1 生条件力 堕型。1 用g 参数法表示则为 0 唧，所以调0 脉冲能量随( 细心f ) 的增大而线性增加。血， 对一个调q 脉冲能够从激活介质的储能中提取多大比例的能量是没有贡献的， 剩余的反转粒予数在巨脉冲结束后以荧光的形式散掉了，我们以单脉冲能量利用 率来表示调q 脉冲可以从介质中提取的能量的比例，其表达式为 砷。寻 ( 2 。3 6 ) 由( 2 2 5 ) 可以得到 出- 且踟( 2 - 3 7 ) 2 a n 6 庐 将上面求得的妒的表达式代入并积分，便可以得到调q 脉冲的宽度 _f：。，dani面厕(2-38)an6ananan i n ( a n a nj ，+ f ) 】 该方程不易直接得出解析解，可以根据初始值( 血恤j 利用数值积分来求得缸 的数值解。 通过上面的分析可以看出，在调q 激光器中，舳0 是一个非常重要的参 量，它直接影响到输出功率、脉冲宽度和总体效率。在进行调q 激光器的设计 时，应当尽可能地提高抽运速率以增大，l f ，同时还要选择效率较高的工作物质 和合适的腔结构以减小血，和其它损耗。 2 2 4 调q 方式 按照能否人为控制q 开关的延迟时间，可以将调q 技术分为主动调q 技术 和被动调q 技术。主动调q 包括转镜调q 、电光调q 和声光调q ，被动调q 主 要是指可饱和吸收体调q 。按照q 调制的开关时间与脉冲建立时间的关系可以 将0 开关分为快开关和慢开关两种类型。转镜调q 的开关时间与脉冲建立时间 近似相等，属于慢开关类型电光调q 、声光调q 和可饱和吸收体调q 的开关 时间小于脉冲建立时间，属于快开关类型。 转镜调q 结构比较简单，成本较低，无插入损耗，也不存在光损伤问题， 可用于能量较大的脉冲激光器中，能够获得峰值功率在几十兆瓦以上、脉宽为纳 秒级的巨脉冲：其缺点是容易产生多脉冲、噪声大、寿命较短且对装配工艺要求 较高，目前已基本被其他方式的q 调制技术所取代。电光调q 能产生窄脉冲， 同步性能好，寿命长，可获得峰值功率几十兆瓦以上、脉宽十几纳秒的稳定的巨 脉冲；缺点是需要几千伏的高压脉冲，易干扰其它电子线路。可饱和吸收体调q 结构简单、使用方便，可以获得峰值功率几兆瓦、脉宽几十纳秒的巨脉冲；不足 是产生调q 的时间有一定的随机性，输出稳定性欠佳。声光调q 的调制电压只 需一百多伏，可获得峰值功率几百千瓦、脉宽几十纳秒、重复率在千赫兹量级的 巨脉冲，我们在实验中就采用这种q 调制方式。 2 2 5 声光调q 声光调q 器件由驱动电源、电一声换能器( 又称超声换能器) 、声光介质和 吸声材料组成。当超声波通过声光介质时，光弹性效应将超声波的调制应变场耦 合到光学折射率上，这就相当于光学相位光栅，其光栅周期等于声波波长，所得 的振幅正比于声振幅。光束入射到此光栅上时，有一部分光强将会因衍射而偏离 出光束，射向一个或多个离散方向。只要选择合适的参量，就可以使衍射光束偏 离出谐振腔，从而产生足以使谐振腔q 值突变的能量损耗。通常利用压电换能 器将电能转化成超声波，并射入声光介质，这时激光器处在低q 值状态，不能 产生振荡。切断换能器的驱动电压后，声光介质在无超声波通过的情况下回到高 透射率的常态，激光器就发射出调q 脉冲。 根据光波波长工和声波的波长以以及光波与声波场相互作用的距离f ，可以 观察到两种不同类型的衍射效应拉曼一耐斯限a m 缸n a t h ) 衍射和布拉格 ( b r a g g ) 衍射： 1 拉曼一耐斯衍射 图2 _ 4 拉曼耐斯衍射 当光波与声波场相互作用的路径很短，或者超声波频率很低时就出现拉曼一 耐斯散射。当光束与超声波垂直时，可以观察到最大的光散射，光束对称地散射 在很多衍射级，各级的光强为 。- l o s ；( a 妒) ( 2 3 9 ) 式中，o 为入射光强，厶为第m 阶贝塞尔函数，a 鱼掣为光波穿过超声场产 生的附加的相位延迟因子，其值为【5 1 蜘玎盼：只) 1 2 p 。， 式中d 为声光介质的厚度，只为超声波功率， 屯为声光介质材料参量的品质因 数： m ：墨( 2 - 4 1 ) 式中p 为介质光弹性系数，p 为介质的密度，为声光介质中的超声声速。 2 布拉格衍射 a 图2 - 5 布拉格衍射 l o 当超声波的频率较高，相互作用的路径较长时，较高级的衍射就会消失，只 剩下零级和第一级衍射光，即产生布拉格衍射。在布拉格衍射中，光束相对声波 偏离垂直入射，阻布拉格角相互作用，布拉格角为 血日。云 ( 2 4 2 ) 上式中各物理量均是在介质内测得的，若以在介质外的值来表示，入射光与声波 之间的夹角就是0 一n o ，且散射角为 2 0 一2 n 0 一半 ( 2 - 4 3 ) 布拉格衍射的声光衍射效率为嘲 叩一 每o s i n 2 ( 警) ( 2 - 4 4 ) 从上面的式子可以看出，衍射功率的大小取决于以肘2 表示的材料参量、相 互作用路径的长度与宽度之比以及超声波的功率。虽然熔融石英的品质因数射2 较小，但它具有光学质量好、抗损伤阈值高和对1 0 6 4 r i m 光波的通光性能好等优 点，因而获得了广泛应用，目前大功率声光调q 激光器多选用它做声光介质。 声光介质的光弹性系数p 取决于光束相对于超声波传播方向的偏振面以及超声 波的类型，即径向波或剪切波。通常用剪切波器件对n d ：y a g 等非偏振的激光系 统进行q 调制，对于偏振激光辐射则使用纵f 甸调制器件。由于径向0 开关中的 p 1 2 系数较大，所需要的射频功率大大低于剪切波器件的功率，所以也曾对非偏 振的激光器进行q 调制。 根据主动调q 理论”】，对四能级系统，在声光调0 的重复频率为，时， 激光器的平均输出功率 1 8 尸= l ( 血f 一抽，) h v v ( 2 - 4 5 ) r + l 、 、 单脉冲能量 e 南( 觚一血，) h v v ( 2 - 4 6 ) 脉冲宽度 f 。兰! ! 竺 竺! ( 2 - 4 7 ) + 9 c 仃+ 工) h j 一血，【1 + l n ( 血j 厶，l 。) 】 7 式中丁为输出耦合透过率，工为谐振腔的其它损耗，l 为谐振腔的光学长度。 为了获得最大的输出能量，就必须使q 开关从高损耗状态到低损耗状态转 换所需要的时间短于调q 激光脉冲建立所需要的时间，这样输出激光的能量就 不会因为q 开关引起的衍射而产生较大的损耗。声光q 开关全部关断的时间主 要由声波通过光束的度越时间决定，当超声波在熔融石英中传播时，典型的声速 值为5 m m 坤，它通过1 r a m 的距离大约需要的时间为2 0 0 n s 。这一时间比很多激 光系统中调q 脉冲形成的时间都要短，但还不能满足某些高增益激光器的要求。 所以声光q 开关一般用于增益较低的连续激光器，一般重复频率可以达到l 2 0 k h z 。如果声光调q 激光器的泵浦功率太大，q 开关就有可能不能有效关断而 产生静态激光，使巨脉冲的输出特性变坏。只有在提高声光衍射效率的条件下， 才能进一步增加泵浦功率以获得较高的峰值功率。 参考文献 白晋涛博士学位论文中科院匿安光机所，西安，2 0 0 1 4 9 5 2 吕百达激光光学( 第三舨) 北京：高等教育出版杜，2 0 0 3 3 9 3 3 9 7 蓝信钜，等激光技术北京：科学出版杜，2 0 0 0 6 8 7 8 划敬海，徐荣甫激光器件与技术北京：北京理工大学出版杜，1 9 9 5 1 2 6 1 8 4 【美1 w 克希耐尔著，孙文，江泽文，程国样译固体激光工程北京：科学出版社 2 0 0 2 4 3 8 4 4 2 吕百达固体激光器件北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 2 1 1 3 1 2 3 4 5 6 7 j s t e f l e n ，j el o r t s c h e r ，gh e r z i g e r f u n d a m e n t a lm o d er