（光学专业论文）144μm固体激光器及其在差频技术中的应用.pdf

四川火学硕士学位论文 1 。4 4 “m 固体激光器及其在差频技术中的应用 光学专业 研究生：田文指导老师：蔡邦维 1 ，4 4 9 m 激光属于人眼的安全波段，能够被水分子强吸收，并且作为泵浦源， 可以差频产生中红外激光，因此在医疗、环保、军事等领域有着重要的应用前 景。n d ：y a g 作为一种常用的产生近红外输出的固体激光器已经发展得相当成 熟，主要工作波长在1 0 6 m - n ，同时也存在1 4 4 i a r a 的谱线跃迁。本文利用n d ：y a g 获取1 4 4 9 i n 激光，进行了理论研究、实验方案设计和实验结果分析：并对1 4 4 9 m 激光在差频技术中的应用做了理论分析利研究。本文的主要内容包括以卜- 几个 方面： 一、分析了n d ：y a g 晶体在输出1 4 4 p x n 激光谱线时的能级结构和光谱特性， 比较了1 4 4 9 i n 振荡谱线和其它振荡谱线的受激发射截面的大小，剖析了输出 1 4 4 b m a 激光的难点和需要突破的关键技术，设计了1 4 4 9 n k n d ：y a g 激光器的实 验装置。 二、根据四能级速率方程，对n d ：y a g 固体激光器的工作特性进行了理论 分析，研究内容包括工作阈值、能量传输机制、激光输出和0 调制，对1 4 4 9 i n 激光腔内损耗机理进行了分析，为实验研究提供了理论依据。 三、采用色散棱镜成功的获得了1 4 4 , u r n 的静态激光输出，同时转动棱镜调 谐获得了1 4 1 4 u m 、1 3 5 7 肚m 、1 3 3 8 p m 、1 3 1 9 9 m 和1 0 6 4 9 m 多波长激光输出， 扩展了n d ：y a g 激光器工作波长。 四、应用直腔结构成功的得到了1 4 4 p r o 的静态激光输出，输出能量、斜效 率均高于色散棱镜腔；在直腔结构下对1 4 4 1 u n 进行了调q ，在现有的实验条件 下得到了1 8 m j ，1 5 0 n s 的脉冲输出；同时利用n d ：y a g 在直腔结构下得到了 1 0 6 i m a 和1 4 4 1 m 双波长输出。 四川大学硕士学位论文 五、建立了采用1 0 6 9 m 和1 4 4 9 i n 两束激光在l i n b 0 3 晶体中直接差频得到 40 4 1 t m 中红外激光输出的物理模型，进行了相应的数值计算，优化了晶体长度， 并对比了光参量振荡与直接差频的技术特性，对中红外激光的研究具有理论指 导意义。 关键词：1 4 4 9 i nn d ：y a g 色散棱镜d f g i i 四川入学硕士学位论文 s o l i d s t a t el a s e ra t1 4 4 9 ma n dt h ea p p l i c a t i o ni n d i f f e r e n c e f r e q u e n c yg e n e r a t i o n m a j o ro p t i c s p o s t g r a d u a t e w e nt i a n d i r e c t o r b a n g w e ic a i l a s e ra te y e s a f ew a v e l e n g t ho f1 4 4 9 mi ss t r o n ga b s o r b e di nw a t e ra n de a r l o u t p u tm i d d i e i n f r a r e dl a s e ra sap u m ps o u s ei nd i f f e r e n c e f r e q u e n c yg e n e r a t i o n s o i tw a sw i d e l yu s e di np r o d u c t i o n ，m e d i c a l ，p o l l u t i o nm o n i t o r i n ga n dm i l i t a r y t b e n d ：y a ga san o r m a ls o l i d s t a t el a s e ri nn e a r - i n f r a r e dh a sw e l ld e v e l o p e d t h em a i n w o r k i n gw a v e l e n g t ho fn d ：y a gi s1 0 6 t x m i ta l s oe x i s t st r a n s i t i o na t1 4 4 9 m i n o r d e rt og e n e r a t e1 4 4 9 i nw i t hn d y a gt h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h eb a s i ct h e o r i e s ， d e s i g n e dt h ee x p e r i m e n tp r o j e c t s ，a n a l y z e dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n di n t r o d u c e dt h e a p p l i c a t i o no f1 4 4 9 ml a s e ri nt h ed f g t h em a i nr e s u l t so b t a i n e dh e r ec a l l b e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ee n e r g yl e v e lc o n f i g u r a t i o na n ds p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i co fn d ：y a g c r y s t a lo dt h et r a n s i t i o no f1 4 4 阻na r ea n a l y z e d t h ed i f f e r e n te m i s s i o nc r o s s s e c t i o n s b e t w e e n1 4 4 9 i na n do t h e rt r a n s i t i o na r ec o m p a r e d w ea l s oc o n s t r u et h ed i f f i c u l t i e s a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e si ng e n e r a t i n g1 4 4 ml a s e r t h en d ：y a gl a s e rs y s t e mo f 1 4 4 9 i na r ew h o l ed e s i g n e d 2 t h e o r e t i c a l l ya n a l y z et h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co fn d ：y a gu s i n gf o u r l e v e l s y s t e mv e l o c i t ye q u a t i o n n er e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ew o r k i n gt h r e s h o l d t h e m e c h a n i s mo fe n e r g yt r a n s m i s s i o n , t h el a s e ro u t p u ta n dt h eq s w i t c h w ea l s o a n a l y z e dt h el o s si nt h ec a v i t yo f1 4 4 9 r nn d ：y a gl a s e ra n dp r o v i d e dt h e o r e t i c a l i n s t r u c t i o nf o rt h en e x te x p e r i m e n t 1 1 四川大学硕士学位论文 3 u s i n gt h ed i s p e r s i v ep r i s mr e s o n a t o r , w es u c c e e di ng e n e r a t i n g1 4 4 9 m n o r m a l m o d eo u t p u t w h e na d j u s t i n gt h ed i s p e r s i v ep r i s mw eg e tm u l t i - w a v e l e n g t h o f l 4 1 4 9 m 、1 3 5 7 9 m 、1 3 3 8 9 m 、t 3 1 8 9 m a n d1 0 6 4 肛m ，t h ea p p l i c a t i o no f n d ：y a g l a s e ri se x p e n d e d 4 u s i n gl i n er e s o n a t o rw es u c c e e di ng e n e r a t i n g1 4 4 9 mn o r m a l - m o d eo u t p u t t h eo u t p u te n e r g ya n dt h ei n c r e m e n t a le f f i c i e n c ya r eb o t hh i g h e rt h a nt h ed i s p e r s i v e p r i s mr e s o n a t o r s i nt h i sc o n d i t i o n ，w ea l s oo b t a i n e dqs w i t c h i n go fl a s e rp l u s eo v e r 18 m j 谢t l lap l u s ew i d t ho f15 0 n sa n d1 0 6 9 ma n d1 4 4 n nd u a l w a v e l e n g t ho u t p u t 5w ep r e s e n ta na n a l y s i so fd i f f e r e n c ef r e q u e n c yg e n e r a t i o nt e c h n i q u e su s e dt o p r o d u c el a s e ro u t p u ti nt h em i d - i n f r a r e d4 0 4 p m an u m e r i c a lm o d e li sd e v e l o p e df o r i n v e s t i g a t i o no fm i x i n go ft 4 4 1 m aa n di 0 6 9 mn d ：y a gl a s e rt op r o d u c e4 0 4 9 m r a d i a t i o ni nal i n b 0 3c r y s t a l w ec a r r i e dt h r o u g ht h en u m e r a t i o n ，o p t i m i z e dt h e c r y s t a ll e n g t ha n dc o m p a r e dt h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h eo p oa n d d f g t h er e s u i t sh a v es o m er e f e r e n e ev a l u ef o rt h er e s e a r c ho f m i d d l e i n f r a r e dl a s e r k e y w o r d s ：1 4 4 9 m n d ：y a g p d s m d f g i v 四川大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 固体激光器概述 固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物质，包括晶体 和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中掺入激活离子而制成。基质为激活离 子提供一个环境，主要决定着材料的光学、物化、机械和热学等性能：而工作 物质的能级结构，荧光特性和激光性能则主要由激活离子和所处的配位场决定， 后者既与激活离子有关，又与基质材料有关。迄今，已实现激光振荡的不同基 质掺杂体系的工作物质有2 0 0 多种，但性能好、使用广泛的主要是红宝石、 掺钕钇铝石榴石和钕玻璃三种。已实现激光跃迁的主要是稀土和过渡金属离子， 如c e 3 + 、p ，、n d 3 + 、e 一、g 扩、t b 弘、d 广、h 0 3 + 、e r 3 + 、t m 抖、尹，s m 2 + 、 1 m 2 + 、面3 + 、c 0 2 + 、v 2 + ，c u + 等2 0 余种。由固体激光器所获得的激光波长覆盖 了从紫外到红外( o 2 7 5 1 山n - 3 3 岬) 的广大范围。 固体激光器的工作方式主要分为脉冲和连续( c w ) 两类，构成通常包括工 作物质、谐振腔、聚光腔、泵浦光源、电源和冷却系统等几个部分。作为固体 激光器的工作物质，必须满足下述条件。 第一、光学和光谱学特性：具有三能级或四能级工作结构；有宽的吸收带； 在泵漓光的光谱区和振荡波长处高度透明；掺入的激活离子具有有效的发射光 谱，具有大的发射截面；激活离子能实现高度掺杂，且荧光寿命适宜。 第二、物化特性：热导率大；组分，结构及离子价态稳定；对水、溶剂和 环境气氛等化学稳定性好。 第三、热光特性：热稳定性要好( 热光系数最好接近于零) ；热光畸变要小 ( 热光畸变包括热透镜效应，热应力感生的双轴聚焦，热应力双折射和退偏效 应等) 。 第四、机械特性：自损坏阈值高，抗破坏强度大；易于加工研磨。 常用的固体激光器主要有红宝石激光器、y a g 激光器和钕玻璃激光器。1 9 6 0 年，世界上第一台激光器就是脉冲氙灯泵浦的固体红宝石激光器。近年来又出 现了一些新型的激光器，它们代表着固体激光器的发展和研究方向，如板装激 四川大学硕士学付论文 光器、掺杂光纤激光器、光参量振荡器( 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 s ) 和半导 体激光器等。经过4 0 多年的发展历程，固体激光器已取得了很大的进步：波长 范围从紫外到中红外波段；工作方式从脉冲到准连续再到连续；输出能量从几 焦耳到数千焦耳：泵浦方式也从传统的灯泵浦发展成为转换效率更高、体积更 小、重量更轻的二极管泵浦，从而实现了真正意义上的全固化固体激光装置。 固体激光器的发展有赖于材料科学与激光器研制之间的强相互影响，需要理论 和实验研究的相互促进。 1 21 4 4 l a i n 激光器的研究意义及应用价值 随着激光这门前沿学科在理论上、实验上不断完善和成熟，在工农业生产、 科学和国防等各个领域的应用不断增多，人们对激光器的性能要求也越来越严 格。波长、功率、光束质量、安全性、体积、功率、稳定性、可靠性和寿命等 都是现代应用对激光器的指标要求。在实际应用中，一台合格的激光器不仅在 性能指标上符合生产需要，而且在应用时人们追求百分之一百的安全。 眼球是对激光最敏感的器官，很容易受到激光的伤害。它能将一定波长的 光辐射传输到眼底，使其在视网膜上成像。眼屈光介质有很强的聚焦作用，将 入射光束高度汇聚成很小的光斑，从而使视网膜单位面积内接受的光能，比入 射到角膜的光能提高1 0 5 倍，造成视网膜的损伤。人眼对不同的波长的光辐射 具有不同的透过率与吸收特性。o 3 1 x m 到2 5 i _ t r n 波段的光辐射能通过角膜，被 其吸收，而小于o 3 1 t i n 和大于2 5 1 t r a 的光辐射均不能透过角膜。晶状体的透过 率因年龄而异。一般来说，从0 4 - - 1 3 t n a a 波段，晶状体透过率较高，约8 0 以 上，其两侧的波段很少能透过晶状体。 现如今除了少数激光器在较低输出功率的情况下，对人眼相对安全外，大 多数激光器的输出波长对人眼十分有害，因此人们最希望能应用对人眼没有伤 害的激光波长，保证安全第一。基于生产过程中激光的不安全因素，近几年来， 人们正在积极研究和开发对人眼安全的激光波长。1 4 4 p m 激光波长属于人眼安 全波长，在进行科学实验研究、实际应用等方面大大降低不安全因素而备受青 睐；1 4 4 1 a m 激光除了对人眼安全以外，还具有遇水后被强烈吸收的特性，因此 在医学领域有广阔的应用前景；此外1 4 4 p , m 激光还可以应用于差频技术，获得 中红外激光，由于中红外激光在光谱学、遥感，医疗及军事等诸多领域都有重 2 四川大学硕士学位论文 要的应用价值和前景，1 4 4 1 a m 激光源也显得格外引人注目。由此看来选取 1 4 4 1 m a 激光波长具有非常重要的研究意义和实用价值。鉴于国内在利用固体激 光器输出1 4 4 ；u n 的研究还很少，本文主要进行此方面研究。 1 31 4 4 “r n 激光器的国内外研究进展 在国外，人们对1 4 4 9 a n 激光的研究起步较早，主要是采用发展较为成熟的 n d ：y a g 激光器输出1 4 4 9 i n 激光。1 9 9 0 年，s k w o n g 和p m a t h i e u 等人利用 n d ：y a g 激光器及色散棱镜进行波长选择，获得脉冲能量1 3 0 m j 、脉宽8 5 n s 的 1 4 4 i n n 激光输出【l 】；1 9 9 3 年，s p a r i o s u 和w c h e r t 等人曾采用c r 4 + ：y a g - n d ：y a g 复合腔实现调q 的1 0 6 1 a n 和1 4 4 1 m a 双波长输出，1 4 4 1 m a 激光为1 2 m j ，脉宽 2 0 0 n s 2 1 ；1 9 9 7 年4 月，h m k r e t s e h m a n 和e h e i n e 等人利用n d ：y a g 激光器及 腔镜镀膜的方法，在4 0 w 的二极管泵浦下，获得4 9 w 的1 4 4 i m a 激光连续输出， 电光转换效率为1 8 t 3 1 。1 9 9 7 年6 月，a n t o n i o a g n e s i 和s t e f a n o d e l l a e q u a 等 人同样采用n d ：y a g 激光器及腔镜镀膜的方法，在1 0 w 的二极管泵浦下，获得 1 w 的连续输出和重复频率2 0 k h z ，5 6 0 m w 的调q 输出1 4 j 。1 9 9 8 年5 月，j c v a i l d e nh e u v e l 和e j m v a l p u t t e n 等人应用望远镜原理，采用n d ：y a g 激光器加折 叠腔得到脉宽1 4 n s ，脉冲能量是5 0 m j 的1 4 4 p a n 激光输出1 5 1 。伴随着1 4 4 1 a m 激 光的成功输出，其重要应用之一即直接差频产生( d i f f e r e n c ef r e q u e n c y g e n e r a t i o n ) 中红外激光的研究也已展开，1 9 9 4 年，s k w o n g 和r 0 1 n e r 等人 利用1 0 6 1 u n 和1 4 4 1 t i n 两束激光在l i n b 0 3 晶体中差频得到3 0 m j 的4 0 4 1 u n 激 光输出，能量转换效率为5 5 t 6 1 。 在国内，2 0 0 0 年白光等人采用高选择性三镜曲折谐振腔，输出1 4 4 1 a m 激 光，对于单激活元件激光器静态输出脉冲能量达到6 0 0 n d ：双激活元件时，静 态输出脉冲能量达到1 4 j t r l 。2 0 0 3 年月，华侨大学的吕风萍、王加贤采用 c ，：y a g 作为增益介质输出1 4 4 i n n 激光，脉冲能量0 2 0 m j 、脉冲宽度1 9 n s s ) 。 1 4 论文研究的主要内容 在国外，人们对于1 4 4 n 激光的研究无论在理论上还是在实验上均取得了 一定的成绩。而在国内，人们对该波段的研究还处在起步阶段，相关的理论和 实验研究甚少。本文从基本理论出发，讨论了采用n d ：y a g 激光器输出1 4 4 1 m a 四川i 大学硕士学位论文 激光的技术方案及相应的实验研究，并分析了1 4 4 1 z m 激光在直接差频技术中的 应用。 全文内容安排如下： 第一章：前言 介绍了固体激光器的发展概况，综合分析了1 4 4 9 m 固体激光器的应用价值 和国内外研究现状，由此引出本论文的研究意义，并介绍了本论文的主要内容 和安排。 第二章：n d ：y a g 激光器概述 介绍了n d ：y a g 晶体的物化特性、能级结构、光谱特性；分析了n d ：y a g 激光器中1 4 4 1 m l 光子跃迁的机理；设计了1 4 4 1 a mn d ：y a g 激光器的实验装置， 包括激光棒的选取，泵浦系统和谐振腔的设计。 第三章；n d ：y a g 激光器工作特性研究 。 应用四能级速率方程，研究了n d ：y a g 激光器工作特性，包括工作阈值、 能量传输机制、激光输出及q 调制；对采用n d ：y a g 输出1 4 4 9 i n 激光时的损 耗进行了分析，为实验研究提供了理论依据。 第四章：采用n d ：y a g 输出1 4 4 1 t i n 激光的技术方案及实验研究 围绕着在n d ：y a g 中输出1 4 4 1 t i n 激光的关键技术，即抑制其它波长光子的 起振，设计了两种技术方案并进行了实验研究。包括腔内插入色散棱镜分光； 利用严格的腔镜镀膜方式直腔输出1 4 4 “m 激光，并在直腔结构下进行了调q ； 最后综合分析对比了两种方案的实验结果。 第五章；1 4 4 n 激光在差频技术中的研究 介绍了差频技术的基本原理及1 4 4 1 t m 激光在差频中的应用，即采用1 0 6 1 a m 和1 4 4 9 i n 两束激光在l i n b 0 3 晶体中直接差频得到4 0 4 l s m 中红外激光输出；对 非线性晶体l i n b 0 3 进行了数值分析，建立了直接差频的物理模型，进行了相应 的数值计算；并对比了光参量振荡与直接差频的技术特性。 第六章；总结 对本论文进行总结，提出了有待改进的问题并展望了下一步的工作。 4 四川大学硕士学位论文 第二章n d ：y a g 激光器概述 尽管近年来有多种优秀的激光晶体被开发出来，如掺钕钒酸钇( n d ：y v o , ) 、 掺钕钒酸钆( n d ：o d v 0 4 ) 等，但n d ：y a g 仍然是当前及近年内最重要、应用最广泛 的固态激光器工作物质。它可以用于二极管泵浦全固态微小型激光器中，得到的 红、绿、蓝色高质量的连续激光输出，比n d ：y v 0 4 效率更高、更易实现；n d ：y a g 也大量用于军事、科研、医疗及工业激光器中，如各种规格的测距仪，光电对 抗设备系统，高性能激光仪器，激光治疗仪、美容仪、激光打标机、打孔机等 激光加工机械中；在需要高功率、高能量、q 开关和锁模超短脉冲激光等场合， n d ：y a g 更是首选的激光工作物质。n d ：y a g 得以如此广泛的应用，是由于其特 有的物理、光学、机械方面优异性能所决定的。 本章先从n d ：y a g 晶体的物理、化学特性入手，介绍了晶体的能级结构、 光谱特性，分析了晶体在四能级结构下产生1 4 4 1 u n 光子跃迁的机理；接着对 n d ：y a g 激光器实验装置进行了设计，包括了激光棒、泵浦系统和谐振腔。 2 1n d ：y a g 晶体的物理、化学特性 n d ：y a g 就是掺钕钇铝石榴石的简称，其激活离子为三价钕离子n d 3 + ，其 基质为钇铝石榴石晶体，因天然的石榴石矿石的外观很像“石榴子”而得名，钇 铝石榴石晶体的英文缩写为y a g ，其分子式为b a l 5 0 1 2 。y a g 基质很硬、光学 质量好、热导率高。y a g 的立方结构也有利于窄的荧光谱线，从而可以产生高 增益、低闽值的激光。在n d ：y a g 中，三价钕替换了三价钇，因此不需要补偿 电荷。n d ：y a g 除了非常优越的光谱和激光特性外，其基质材料的晶格的物理、 化学和机械特性也非常具有吸引力。从最低的温度直到熔点，y a g 的结构都很 稳定。y a g 的强度和硬度虽低于红宝石，但仍然很高，足以保证在正常生产过 程中不会出现严重的断裂问题。 目前，市售的激光晶体都是通过提拉法生长的。提拉法制备晶体时，按照 加热方法的不同分为电阻加热炉和高频感应炉两种。从当前水平看，一般高频 感应炉生长的n d ：y a g 晶体杂质颗粒较少；电炉生长的n d ：y a g 光学均匀性好。 n d ：y a g 的生产成本高，主要因为晶体的生长速率慢，约为o 5 m m h 。长度为 四川大学硕七学位论文 1 0 1 5 c m 的典型毛坯需要几周的生长周期。目前已经能生长出直径3 0 4 0 m m ， 长度约1 0 0 2 0 0 m m 的优质n d ：y a g 晶体。 n d ：y a g 激光棒中的钕原子浓度限制在l 1 5 以内，较高的浓度会缩 短荧光寿命展宽线宽，在晶体中引起应变，最终导致光学质量变差。在特殊的 应用中，通过选择最佳的n d 3 + 浓度，能够一定程度地提高n d ：y a g 激光器的性 能。一般原则是，对于q 开关运转，为了产生高储能，需要有高浓度的掺剂( 大 约为1 2 ) 。对于连续运转，通常选择低掺剂浓度( o 6 o 8 ) ，以获得优良 的光束质量。值得注意的是，与液体或玻璃相比，这种晶体基质材料的掺杂浓 度不可能均匀，这是由于晶体的生长机理造成的。在y 3 a i s o t 2 中，很多n 扩代 替了y h ，钕将优先留在溶液中，从晶种到2 0 c m 长的毛坯末端，n d 3 + 浓度增加 量大约为2 0 2 5 。对于3 8 c m 长的激光棒，这种端面与端面之间的变化 可能会改变n d 2 0 3 的质量，改变量在o 0 5 n 0 1 0 之间。 表2 1 列出了n d ：y a g 晶体的一些重要的物理及化学特性【9 - i ”。 表2 1m ：y a g 晶体的物理及化学特性 化学式 n d 质量百分比 n d 原子数c m 3 n d 原予百分比 熔点 努普硬度 密度 断裂应力 热膨胀系数 【1 0 0 方向 【1 1 0 方向 【1 1 1 】方向 线宽 受激发射截面 y 3 6 n d ：y 3 a 1 5 0 t 2 0 7 2 5 1 3 8 x 1 0 2 0 1 0 1 9 7 0 1 2 1 2 1 5 4 5 6 9 e r a 3 n 3 2 6 ) 1 0 6 l c g c m 2 8 2 x 1 0 e o c i , 0 , - 2 5 0 。c 7 7 x i o 南c 一1 0 - - 2 5 0 ： c 7 8 x 1 0 o 2 5 0 0 c 4 5 a 。 0 2 l = 6 5 1 0 。1 9c m 2 四川大学硕士学位论文 4 f m 4 f m 荧光寿命 1 0 6 1 a n 时的光子能量 折射率 散射损耗 0 2 1 = 6 5 1o ”c m 2 2 3 0 p s h v = 1 8 6 x l f f l 9 s 1 8 2 ( 在1 0 9 i n 时) 删0 0 2 c m 1 2 2n d ：y a g 晶体的能级结构和光谱特性n 町 n d ：y a g 激光器为四能级系统，其简化能级图见图2 1 。 矍i o 蓄 。8 正互互固 寐胡帮 臣互刁4 一 4 g 甲f g - 产 z ， 互，： 图2 in d ：y a g 晶体的能级结构 在光泵浦激励下，n d p 离子由基态跃迁到泵浦能带后，很快通过无辐射跃 7 擂 坫 n 四川大学硕十学位论文 迁到亚稳态4 f 埘能级，然后再由4 f m 能级向下能级自发辐射产生荧光，因此龟尼 为激光上能级。由于n 矿离子受基质晶格场的影响，能级将产生斯塔克分裂， 例如从图上可以看出4 f 弛分裂成两个子能级，r l 和r 2 。在室温下，只有4 f m 中4 0 的粒子数在r 2 能级线上，根据波尔兹曼定律，余下的6 0 在较低的r l 予能级，激光作用仅由r 2 离子产生，而r 2 能级的粒子数通过热跃迁由r l 补给。 4 i m 分裂成六个子能级，共产生八条荧光谱线。* l i s a 、4 1 1 3 t 2 和4 1 1 t 2 能级上的离 子数接近于零，所以n d ：y a g 的基能级为4 i 蛇能级。还有很多相对较宽的能级， 可认为它们共同构成泵浦能级。在室温下，n d ：y a g 在0 3 0 9 p a n 范围中的吸收 谱见图2 2 ，在图中所示的主要泵浦带中，o 8 1 9 i n 和o 7 5 a m 处的带宽较宽，光 强较强。n d ：y a g 的荧光光谱见图2 3 ，主要荧光波长在1 0 6 t a m ，1 4 4 p , m 处的 荧光谱很微弱，这说明利用n d ：y a g 输出1 4 4 p a n 激光具有一定的难度。 ， v ， 0 $ 0 v 0s ( 二f u。1 图2 2n d ：y a 6 激光器在室温时的吸收光谱 o 图2 3m ：y h 6 的荧光光谱 嚣 5 qj日)兽星善 四川大学硕十学位论文 2 3n d ：y a g 中不同的激光跃迁 在图2 1 中，上激光能级4 f 3 ，2 的荧光效率高于9 9 5 ，荧光寿命为2 3 0 1 a s ， 4 f 3 ，2 的发射分支比为：4 f 3 ，2 f 蚍：o 2 5 ，4 f 3 ，2 - + 4 f l l ，2 = 0 6 0 ，4 ，f l 弛= o 1 4 ， 4 f i s a - 5 0 光学质量干涉如2 5 条 m c h ；消光比 3 0 d b 激光特性长脉冲点效率3 2 杈灯泵、2 0 j 输入) 长脉冲斜效率4 1 加工精度 端面平面度x 1 0o , = 5 8 9 3 r t m ) ；端面平行度_ 1 0 ”：光洁度 4 0 - 之o ； 端面与线垂直度9 ； l l 四大学硕士学位论文 镀膜 中心波长1 0 6 4 1 u n 多层介质( 硬) 膜，反射膜反射率1 0 9 9 8 5 ，增透膜 剩余反射率r 卯2 r - j - 规c h激光棒：直径p = 6 m m ；长度l = 1 0 0 m m 为了利用n d ：y a g 晶体获得1 4 4 p a n 激光输出，在选定激光工作物质以后， 最重要的就是对激光器进行总体设计。固体激光器的泵浦系统可以包括泵浦源、 电源和聚光腔三个组成部分。泵浦光源将电源提供的电能转换成光能，再由聚 光腔将这些光能集中到激光介质中，激光介质吸收光辐射产生受激发射。因而， 这三个环节直接影响激光器的效率和输出特性。 脉冲氙灯的选取 气体放电灯的辐射输出由几个不同的部分组成，每一部分相应于不同的物 理发光机理，并强烈地依赖于灯的功率密度，因而低功率和高功率的输出光谱 明显不同。总的辐射由线状光谱和连续光谱两部分组成。线状辐射相应于气体 原予和离子的束缚能态之间的离散跃迁( 束缚一束缚跃迁) 。连续光谱主要包括两 个部分，一是由气体离子俘获电子后变到束缚状态( 自由一束缚跃迁) 时发出的复 合辐射；二是与离子碰撞中受到加速的电子发出的韧致辐射( 自由一自由跃迁) 。 发射光的光谱分布依赖于电子和离子的密度与温度等各种复杂因素。 脉冲氙灯的发射光谱的基本特征是在连续光谱上迭有线状光谱，一般说来 在紫外区和可见区以连续谱为主，在8 0 0 n m 附近的近红外区有较强的线谱。实 际上脉冲氙灯的发射光谱的具体形状与使用的电流密度、工作电压和充气气压 等几项因素有关。灯的电流密度增高，电离度增大，灯的激发形式和离子的复 合作用都会增多和加强，特征谱线和连续谱都相应增强，灯的总辐射能量亦随 之提高。因连续分量的增加较快而逐渐掩盖了线状光谱。同时，由于短波部分 增长得比长波快，光谱重心就向短波方向偏移，产生越来越多的短波辐射，辐 射能量的光谱分布就更接近于黑体。 氖灯的特征光谱的峰值分别在o 8 4 1 m a 、0 9 1 t i n 和l i m a 处，氖灯的峰值波长 位于0 7 6 p m 、o 8 2 9 m 和0 9 9 m 处，而n d ：y a g 的吸收带位于o 7 3 o 7 6 肿和 o 7 9 o 8 2 9 i n 之间，因此氖灯的发光谱线较好地与n d ：y a g 晶体的主吸收带匹 1 2 四川大学硕士学位论文 配。因此在低功率密度下泵浦n d ：y a g 激光器氟灯比氙灯更有效。但是由于氙 的分子量比氪大，每次碰撞的平均能量转移多。另外氙原子的电离电位比氪原 子低，容易电离，因此氙灯的连续谱和总辐射能量就比氪灯高，电光转换效率 比氪灯高很多。在高功率密度下，氙灯的连续光谱比氪灯的线光谱更有效。所 以在较大功率的n d ：y a g 激光器中采用氙灯作为泵浦光源。 本文选择脉冲氙灯作为光脉冲泵浦源，其直径为：旷- 6 m m ，长度：l = 9 0 r r u n 。 图2 6 为脉冲氙灯的发射光谱。 图2 6 脉冲氙灯的发射光谱 聚光腔的选取 聚光腔又称泵浦腔，它的作用是将泵浦光源的辐射能量有效的传输到激光 工作物质中去，激励激光工作物质产生激光。它的传输性能在很大程度上决定 了激光系统的总效率。聚光腔除了给光源和激活材料之间提供良好的耦合之外， 还决定了激光工作物质上泵浦密度的分布，从而影响激光器输出光束的均匀性、 发散度和光学热畸变。 通常聚光腔设计是利用其内壁反射，将泵浦光成像到激光棒上，而漫反射 聚光腔是非成像系统，不是利用几何反射成像，而是利用高反射率的漫反射材 料作为聚光器的内壁，反射泵浦光均匀地混合在聚光器内。漫反射聚光腔具有 效率高、泵浦均匀性好的特点。这对于获得高能量、高效率调q 固体激光输出 至关重要。并且，漫反射聚光腔和金属聚光腔一样，既可以用于低重频脉冲固 体激光器，也可用于高重频和连续固体激光器中。当高平均功率运转时，金属 四川大学硕士学付论文 聚光腔加工工艺复杂，易受污染而被破坏，使用寿命有限；而高重频漫反腔不 易污染，使用寿命长，能保证激光器长期可靠运转。同样类型的金属聚光腔重 量为4 7 k g ，而漫反射聚光腔只有o 7 5 k g ，漫反腔的重量明显减轻，这给应用带 来很大的方便。而由于漫反射聚光腔的传输效率低于成像镜面反射聚光腔，为 了减小光能损失，应将漫反射聚光腔体设计为紧祸合形式，压缩空间体积。 鉴于以上对漫反射聚光腔和高反射金属聚光腔的比较，本实验选用漫反射 紧耦合聚光腔。本文实验中，漫反射紧祸合聚光腔的截面图如下，具体相关参 数见图2 7 ，图2 8 为漫反射紧祸合腔的实物图，聚光腔的长度视n d ：y a g 激光 棒长度而定。 图2 7 漫反射紧耦合聚光腔截面图 图2 8 聚光腔实物图 聚光腔的冷却方式 固体激光器的输出效率只有百分之几，输入泵灯的能量在各个转换环节中 大部分变为热能。粗略估计 2 6 l ，耗散在泵灯上的热能约为总输入能量的5 0 ， 耗敞在激光棒上的热能约为1 5 ，耗散在聚光腔上的热能约为3 0 。由此而使 棒，灯和聚光腔温度升高。在连续和高重复率工作的器件中，这种情况尤为严 1 4 四川大学硕士学位论文 重。因此，合理设计聚光腔的冷却通道显得非常重要。为了保证整个泵浦系统 正常运转，我们采用三者分别水冷的方式：聚光腔本身是干燥的，它有专门的 冷却管道；氙灯和激光棒分别装在冷却液套管中，并通过液孔与聚光腔中的水 道相连，从而进入整个激光器的水循环冷却系统 谐振腔的选取 满足条件g l 臣= l 的平行平面腔是一种介稳腔，在腔内只有一种波型的横向 偏折损耗等于零，而其他波型的横向偏折损耗均不为零，因此这种腔的波型限 制能力比稳定腔要强，但相对调整精度比稳定腔要高。平行平面腔用于固体激 光器系统，由于工作物质热畸变等效应的影响，输出发散角限制在一至几个毫 弧度的量级。平面腔的调整精度要求约为十到几十秒的数量级。更重要的是考 虑到平行平面腔可以更大限度的利用激活材料的体积以获得较大的模体积、较 好的光束质量等综合因素，故本文实验中的激光谐振腔选用平平腔结构。 2 5 小结 本章围绕着激光器的三大组成部分，即激光介质、泵浦系统、谐振腔，对 n d ：y a g 激光器实验装置进行了设计。首先着重分析了n d ：y a g 的物化特性、 光谱结构及在四能级结构下1 4 4 t m 光子的跃迁机理；接着对本文实验中 n d ：y a g 激光器的泵浦系统、谐振腔进行了简单的设计。在第四章，将根据这 些设计参数展开实验。 四川大学硕士学位论文 第三章n d ：y a g 激光器工作特性研究 上一章对n d ：y a g 激光器进行了概述，介绍了n d ：y a g 晶体的物化特性、能 级结构、光谱特性，分析了晶体在四能级结构下产生1 4 4 p m 光子跃迁的运转机 理，并对n d ：y a g 激光器实验装置进行了设计。本章将在此基础上，从理论分 析入手，详细的探讨1 4 4 9 j r l n d ：y a g 激光器的工作特性，包括其包工作阈值、 能量传输机制、激光输出和q 调制：对采用n d ：y a g 输出1 4 4 t t m 激光时的腔 内损耗进行了分析，为下一步的实验提供了理论依据。 3 1 四能级系统速率方程田1 粒子数反转是产生激光的必要条件。在实际的激光系统中，跃迁过程不仅 包括光和物质相互作用的三个过程，而且还有泵浦作用和无辐射跃迁