（光学专业论文）全固态激光器件的特性研究.pdf

摘要 全固态激光器件的特i 生研究 中文摘要 激光二极管( l d ) 泵浦的掺n d 离子激光器一直是激光研究领域的热点之一，特 别是其三条特征发射谱线的倍频激光波长正处于三基色激光的波段，更使其成为新的 研究热点，再加上其效率高、结构紧凑、输出稳定、寿命长等特点，在工业、科研、 国防军事、医疗等领域有着广泛的应用。本文利用大功率l d 作为泵浦源，分别泵浦 n d ：w 0 4 和nd = y a g 晶体，并利用c r 4 十：y a g 晶体作为饱和吸收体，在产生1 0 6 4 m 高峰信功率的准连续激光和连续9 4 6 i l i l l 激光的基础上，分别利用k t p 和l b 0 晶体 进行了腔内和腔外的倍频的理论和实验研究，获得了高峰值功率的5 3 2 i 皿准连续绿 光和4 7 3 n n l 连续蓝光输出。本论文主要内容有： 1 回顾了全固态激光器的历史和发展过程，与二极管激光器和固体激光器对比 介绍了全固态激光器的主要优势和适合l d 泵浦的激光晶体的主要特性，总 结了全固态激光器的研究现状和发展方向及本论文的主要研究内容。 2 对n d ：y v 0 4 晶体激发l0 6 4 m 的激光特性进行了系统地研究，从速率方程出 发，结合c r 4 + ：y a g 可饱和吸收的特性，对其准连续激光输出特性进行了理 论研究，给出了脉冲的峰值功率、重复频率的计算公式：并通过讨论热透镜 效应以及模式匹配对激光器输出特性的影响，在实验中得到了高峰值功率 ( 1 8 k w ) 、高平均输出功率( 4 2 3 w ) 和窄脉宽( 8 n s ) 的准连续1 0 6 4 1 1 i n 激 光输出；最后，对输出功率随着泵浦功率下降的现象进行了解释。 3 根据倍频原理和相位匹配原理，结合k t p 的倍频光学特性，在大功率被动 调q n d ：w 0 4 激光器的基础上，采用腔外倍频的方法获得了高重复频率 ( 2 1 k h z ) 、窄脉冲宽度( 1 3 n s ) 的5 3 2 m 绿光输出；腔内倍频时获得的最大 平均输出功率为6 8 4 m w ，计算得到的峰值功率为3 0 8 k w ，远远高于腔外倍 频时的( 7 5 0 w ) ，我们对这种情况作了分析。在腔内倍频条件下，比较了准 连续光和连续光泵浦时，输出绿光的特性：连续光泵浦时，阈值仅为10 2 w ， 但是总的输出水平不高；准连续光泵浦时的阈值虽然高，但其输出的平均功 率增加得很快。 摘要 4 介绍了蓝光激光器的历史、国内外已取得的成果和面临的难题，详细论述了 nd = y a g 晶体的激光特性和9 4 6 n m 激光起振的条件。先进行的是l d 泵浦 n d ：y v o n l b o 腔内倍频实验，由于激光晶体镀膜没达到预定的要求，实验 中没有实现蓝光输出。后来采用l d 端面泵浦n d ：y a g 几b o 腔内倍频，实现 了4 7 3 n m 连续蓝光输出，得到最大平均输出功率为8 7 6 m w ，斜效率为1 1 ， 倍频转换效率为1 2 。与同类实验相比，虽然得到的蓝光输出功率不高，但 从中也发现了一些问题，进行了相应的讨论，为以后的实验积累了一定的基 础。 关键词： 全固态激光器，n d ：w 0 4 ，c r 4 + ：y a g ，被动调q 倍频，相位匹配，n d ：y a g ，l b o ，k 1 1 p 分类号：0 4 3 7 摘要 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f a l ls o l i d s t a t el a s e r s a b s t r a c t d i o d e p 啪p e d ( l d ) a u s o l i d s t a t el a s e r sh a v eb e c o m e ac e n t r a lo ff o c u si nt h e6 e l d o fl a s e r sd u et 0t h e i rm a n ya d v a i l t a g e ss u c ha s1 1 i 曲e m c i e n c 弘c o m p a c m e s s ，h i 曲s t a b i l i 娥 a n d l o n gl i f e t i m e t h c y a r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t 吼s c i e n t m cr e s e a r c h ，n a t i o n a l d e f e n c ea i l dm i i i t a r y ，m e d i c a it r e a 恤e m ，e t c h e r e ，、v eu s eh i g hp o w e rl da sp u m p r e s o u r c e m a k e 廿l en d ：y v 0 4 ，nd ：gl a s e r sb a s e ，锄do b t a i n e dt l l es e c o n dh a h n o i l i o u s g e n e r a t i o no f 胖e n 砒h l i 曲p e a kp o w e ra t 5 3 2 ma r i d b i u ei i g h ta t4 7 3 1 1 1 i lu s i n g n o l l l h l e a rc r y s t a l s _ k t pa 1 1 dl b o ，r e s p e c t i v e l yt h ec o n t e n t sa r eo u t l i n e da sf o l l o w e d ： 1 w ef e v i e wm e h i s t o r y a n d d e v e l o p m e n t o f d i o d e p u m p e d a l i - s o i i d s t a t e l a s e r s ( d p s l ) ；i i m o d u c e i t sm a i na d v a n t a g e sc o m p 觚e dw i t hd i o d el a s e r sa 1 1 d s o l i dl a s e r s ，a n dv a r i o u si a s e r 埘a t e r i a l su s e di nd i o d ep u m p e ds o l i d s t a t cl a s e r s ； s 咖a r i z et l l em a i n 印p r o a c h e sa i l dt b ep r o s p e c to fd p s la i l dt 1 1 em a i nc o n t e m s o f t h i sd i s s e r t a t i o ni so u t 王i n e d 2 b a s e do nn l e e q u a t i o n s o fv e l o c j t y ，at 1 1 e o r e t i c a l a n a l y s i s a i l dn u m e r i c a l s i r n u | 撕gm e t h o do fp e a kp o w e ra i l dr c p e t i t i o nm t co fp u i s ec o n s i d e r i n gt h e c l a r a c t e r i s t i co f 血es a t 啪t e da b s o r b e r r 4 + ：y a ga r ep r e s e n t e d w ed i s c u s sm e i n n u e n c eo n 血ea v e r a g eo u t p u tp o w e ri f 血e 西e n n a ii e n s e sa i 】dm o d em a t c h i n g 盯et a k e ni r l t oa c c o u m am a ) 【i m 岫o f4 2 3 wo fa v e r a g eo u t p u t ，l8 k wo fl l i 曲 p e a 玉【p o w e ra f l d 8 n so fp u i s e 淅d mi nt h ew a v e l e n g mo f1 0 6 4 蛳h a sb e c n o b 诅i n e d w i t h 2 1 1 wd i o d ep u m p i n g p o w e r i n n d ：y v 0 4 a t l a s t ，w e a n a l y z e d t h e r e s u i t 、v _ h i c ha v e r a g e o u t p u tp o w e r d e c i i n e dw h i i ep u m p p o w e ri n c 豫雠d 3 a c c o r d i n gt ot l l ep r i n c i p l eo fp h a s em a t c h i l l ga n d 丹e q u e n c yd o u b l i n ga i l d 、) l ，i t l t h eo p t i cc l a r a c t e r i s t i co f k t p c r y s t a l ，姗wp u l s ew i d 血( 1 3 璐) ，h i g hr e p e t i t i o n r a t e ( 2 1 k h z ) g r e e nl a s e ra tt h ew a v e l e n g lo f5 3 2 衄h a v eb e e nd e m o n s 仃a t e db y e x t r a c a v i t y 疔e q u e n c yd o u b l i n g 、v i mk t pc r y s t a i i na nn d ：y v 0 4p a s s i v e l y q - s w i t c h e dl a s e la n dm a 菇m u mo fa v e r a g eo u t p u tp o w e r ( 6 8 4 m w ) h a sb e e n o b t a i n e db yi t l 畹a v 时疏q u e n c yd o u b i i n g ，“sp e a kp o w e rr e a c h e st 03 0 8 k w c o l p a r e dw i m 7 5 0 w b ye ) ( n m a v 时船q u e n c yd o u b l i n g f i n a l l y ，w ec o m p a r em e d i 虢r e n tp m p e r t i e so f g r e e nw h e np u m p e db yc w a 1 1 dq c ww h e n p u m p e db y c w ，t h et 1 1 r e s h o l di sj u s t1 0 2 w ，b u ti t si n c r e a s ei ss l o w ；t h o u 曲t h et l l r e s h o l do f q c w i si l i 曲e rm a i lc w i t si n c r e a s ei sf a s t 摘要 4 w er e v l e wt h eh l s t o r y m ed e v e l o p m e n ta th o m e 趾da b r o a d 锄d l ed i 丘i c u l t p r o b l e m s o fd i l d e - p u m p e da l l s 0 1 i d s t a t eb l u el a s e r s a n dt h e p r i n c i p l e o f 行e q u e n c yd o 出i n ga n dt h ep r 叩e r t yo f n d ：y a gc r y s t a la b o u tt h eo s c i l l a t i o no f 9 4 6 n mh a v eb e e nd i s s e n a t e ds y s t e m a t i c a l i y f i r s tw ep l a l lt ou s en d ：y v 0 4t o g e n e r a t e9 1 4 m n1 i g h t ，e h a v ed e m o n s t r a t e dan d ：y a gl a s e rt h a tp r o d u c e d 8 9 m wo fc w o u t p u tp o w e ra t t h e w a v e l e n g t ho f4 7 3 姗w i t ht h en o n l i n e a r c r y s t a lu 3 0 ，t h es l o p ee m c i e n c yi s1 1 a n dn l ec o n v e r s i o ne m c i e n c yi s1 2 c o m p a r e dw i m s i m i l a re x p e r i m e n t s ，o u rr e s u l ti sn o ts os a t i s 母i n g w eh o p ew e c a n i m p r o v e o u r e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ss ot h a tw e w i l la c h i e v eb e n e ro u t c o m e i ( e yw o r d s ：a l ls 0 1 i d - s t a t e l a s e r s ，p a s s i v e l yqs w i t c h e d ，n d ：w 0 4 ，c r 4 + ：y a g n d ：y a g 疔e q u e n c yd o u b l i i l g ，t 1 1 ep h a s em a t c m n g ，k t p l b o c l c u m b e r ：0 4 3 7 独创声明 y5 9 8 9 9 l 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， 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 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其 他教育机构的学位或证书使用过的材料。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。 撇黼张 锄赞榭 签字日期：2 0 0 4 年年月胡日 签字日期：2 0 0 4 年年肜7 曰 求燎。隆黄、譬矾砖 豫每翟誊蔼 第一章导论 第一章导论 激光是近代科学史上最伟大的发明之一。 自从1 9 6 0 年梅曼“。( t m a j n m a n ) 的第一台红宝石激光器诞生以来，固体激光 器便发展起来。上个世纪七八十年代，随着气体激光器和液体激光器的发展，传统 的灯泵固体激光器由于存在低效率和热效应等缺点，其研究和应用受到了很大的限 制。直到八十年代中后期，高平均功率、宽调谐和二极管激光器( l d ) 泵浦等技术 的重大突破，带动了固体激光器的蓬勃发展。特别是i 。d 泵浦固体的全固态激光器 ( a l l s o l i d s t a t ei a s e r ) 发展速度之快尤其令人关注。它将l d 体积小、效率高 的优点和固体激光器寿命长、光束质量高的优势结合起来，成为一种结构紧凑、效 率高、寿命长、光束质量好的新型激光器件。目前，激光在科学研究、工农业生产、 通讯、国防、医疗卫生和环境保护等领域的应用日益深入，全固态激光器更是以其 独特的优势在激光领域中独领风骚，已成为激光学科的重点发展方向之一。 1 1固体激光器的发展过程 通常把以固体材料作为工作物质的激光器称为固体激光器。例如，红宝石激光 器、掺钕离子( n d ”) 的钇铝石榴石( n d ：y a g ) 激光器、掺钕离子的玻璃激光器 和掺钛离子( t ，) 的蓝宝石激光器( 简称钛宝石激光器) 等。作为2 0 世纪重大科 技成就之一的激光是以1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器的发明为标志的。4 0 年 来，固体激光器的发展大致经历了以下几个阶段： 1 6 0 年代的迅速发展时期 红宝石( 1 9 6 0 年) 、钕玻璃( 1 9 6 1 年) 和n d ：y a g ( 1 9 6 4 年) 激光器 2 】在这一 时期相继研制成功。固体激光单元器件和振荡、放大、调0 、锁模和选模等技术和 应用都获得了迅速发展。 2 7 0 年代的相对缓慢发展时期 7 0 年代，气体和染料等激光器发展迅速，相比之下，固体激光器的发展显得较 为缓慢f 3 1 “。但这一时期在新的固体激光材料开发、单元技术研究和应用开拓等方 面，仍取得了不少有意义的成果。 第一章导论 3 8 0 年代的复苏时期 进入8 0 年代以后，以高功率固体激光器、可调谐固体激光器和高效率固体激 光器【5 甜，特别是以二极管泵浦固体激光器的迅速发展为标志，固体激光器进入了 被称为“复苏”的新的发展时期。 4 9 0 年代的持续发展时期 在9 0 年代，固体激光器保持了持续发展的势头，并不断开拓重要应用领域。 其中，以高功率固体激光器和二极管泵浦固体激光器及其应用研究的新进展尤为引 人注目。被称为具有“里程碑”意义的事件之一是美国劳仑兹一利弗莫尔国家实验 室于1 9 9 2 年研制成功的千瓦级高功率二极管泵浦n d ：y a g 激光器，其体积仅有葡 萄柚般大小1 7 j 。另一事件是1 9 9 4 年美国能源部宣布批准实施“国家点火设施” ( n a t i o n a li g n i t i o n f a c i l i 姚简写为n i f ) 计划 8 1 ，拟于2 1 世纪初建成的n i f 是一个 集成多种当代先进固体激光技术的巨型高能量( 1 8 m j ) 、高功率( 5 0 0 t w ) 、1 9 2 束的闪光灯泵浦钕玻璃固体激光装置，将用于核聚变，实现点火。 居前，l d 的工作范围已经从最初的几个单一波长发展到从可见光到中红外， 但是绿光以下波段的l d 基本上还处于实验室水平。作为泵浦固体的l d 主要工作 波长在红光( a l g 丑i n ，a 1 g a i n p ，6 7 0 6 9 0 1 1 1 1 1 ) 和近红外( g a a l a s7 9 78 1 0 n m ，1 1 1 g a a s 9 4 0 一9 9 0 姗) 。它们分别是处在掺稀土离子的钕 1 0 07 68 0 8 51 0 6 31 o| c 掺钕的钒酸钇( n d ：y v 0 4 ) 是四方晶体，晶体中激活离子的位置具有低的点对称 性，离子振荡强度大。n d ：y v 0 4 在1 0 6 4 岬有较大的受激发射截面，是n d ：y a g 的 四倍；在8 0 8 n m 附近的吸收带宽约2 0 n m ，是n d ：y a g 的五倍多；加之吸收峰值高， 所以特别适合于【d 泵浦。而且，n d ：y v 0 4 是一种高双折射率晶体，易产生偏振光 输出，可避免泵浦n d ：y a g 出现的热双折射现象。详细的讨论放在后续的章节中。 掺钕的正铝酸钇( n d ：y a p ) 属斜方晶系，具有各向异性的光谱特征，荧光带 比n d ：y a g 稍宽，在1 3 4 m 的受激发射截面较n d ：y a g 的大。缺点是难以生长出 高质量的晶体，另外由于热透镜效应很严重，限制了它的推广和应用。 n d = s v a p 和n d ：s f a p 是前几年报道的新型激光晶体旧1 引。两者属六方晶系， 第一章导论 单轴晶，具有偏振光谱各向异性，受激发射截面和荧光寿命都比较大，泵浦闽值较 低，对连续泵浦和调q 运转都很合适。缺点是热导率低，易出现多畴和开裂，机械 性能差，一般用于小功率器件。 n d ：y a p 属斜方晶系，具有各向异性的光谱特征，荧光带比n d ：y a g 稍宽，在 1 3 4 啪处的受激发射截面比n d ：y a g 的大。但是较难生长出高质量的晶体，再加 上严重的热透镜效应，从而限制了它的推广和应用。 2 掺y b 3 + 的激光晶体 y b 3 + 外层仅缺少一个4 f 电子，因此表现出与n d 3 十不同的特性：粒子数反转和 激发态的吸收对激光特性无影响。y b 3 + 掺杂的介质通常具有比n d 3 + 掺杂的同样介质 多4 倍以上的上能级寿命，受激发射截面较大，物化性质稳定，可高掺杂而无荧光 淬灭。吸收波长9 4 0 n m ，适合i n g a a s l d 泵浦，激光输出波长为1 0 5 p m ，所以在吸 收和辐射光子能量间的量子亏损非常低，没有上转换造成的损耗，斜效率可超过 7 0 1 1 4 粕l ，脉冲钛宝石激光泵浦y b ：k y w 和y b ：k g w 两种晶体时，斜效率分别达 到了8 6 9 和8 2 7 ；掺y b 3 + 介质也是获得大功率激光的重要材料，s u m i d a 耐 等用4 7 5 0 w 的l d 侧泵y b ：y a g 产生9 5 3 w 激光输出：最近，c b i b e a u 等在用 1 7 3 3 w l d 端面泵浦y b ：y a g 时，得到了4 3 4 w 连续激光输出，调q 倍频后得到7 6 w 的5 1 5 m 绿光输出。 二、过渡金属离子为激活离子的激光晶体 掺t i 3 + 、c r 3 十等过渡金属离子的激光晶体作为可调谐激光晶体，近几年有大量 报道。表1 2 列出了几种这类晶体及调谐范围。 表1 2 掺过渡金属离子的激光晶体 c r v s t a lt h n a b l eb a n d ( 啪) c e ：l i c a f2 7 0 3 1 0 t i ：a 1 2 0 3 6 6 0 1 2 0 0 c r ：l i s a f7 6 0 9 8 0 c r ：l i c a f7 2 0 一8 5 0 c r ：b e a l 2 0 3 7 0 1 8 5 8 6 第一章导论 近年来，l d 泵浦的全固态可调谐激光器是个重要的发展方向。目前主要有 两类：一类是l d 泵浦n d ”激光器倍频产生绿光，再泵浦钛宝石激光器，产生红光 和近红外可调谐激光：另一类是用红光或红光波段的l d 直接泵浦掺c r ”的固体介 质或色心晶体，产生可调谐激光。由于c r ：l i s a f 晶体荧光寿命长达6 7 s ，是钛宝 石的2 0 倍，在可见波段的吸收比钛宝石宽，并可用红光l d 直接泵浦，是目前研究 最热门的全固态可调谐激光晶体之一。 1 4 全固态激光器的研究热点和发展前景及本论文的主要内容 高效大功率l d 的出现以及新型激光晶体和频率变换技术的成熟，大大激发了 人们研究开发全固态激光器的热情。总结近些年来全固态激光器的发展和研究现 状，我们认为d p s l 器件的研究热点和发展方向主要有以下几点： 一、全固态可见光激光器。蓝光除n d ：y a g 的9 4 6 衄谱线倍频外【2 0 2 3 1 ，还有 近红外l d 直接倍频【2 4 、2 5 1 ，t i ：s 印p h i r e 【矧、c r ：“s a f 【2 7 j 等近红外输出的倍频以及通 过参量【2 8 】、和频 2 明等方法的过程获得。全固态绿光激光器的研究已经从实验室走向 市场化，从m w 量级到w 级的全固态绿光激光器都有产品面世。前些年全固态红 光的研究比较少，但是近几年出现了彩色印刷、显示等巨大的潜在市场，使红光的 实用价值越来越受到关注。 二、中红外激光器。掺钬、铥、铒等稀土离予泵浦的中红外参量激光器近几年 研究较多3 0 42 1 ，主要是基于2 岬附近激光在大气遥感、医疗等方面的应用价值，是 当前全固态激光研究领域的重要方向之一。 三、单频激光器。单频激光器是高精度光谱和原子物理研究中不可缺少的光源， 也是相干光学测量如光雷达及光通信等应用的核心器件。获得单频的技术方法比较 多，如环形腔、微片腔、短程吸收和腔内加波片或标准具等。 另外，非线性晶体材料及周期性和准周期性畴反转l i n b 0 3 、l i t a 0 3 、k t p 、 m g o ：l n 等材料应用于全固态激光器，通过倍频、和频以及参量等变频过程，在频 域上扩展了d p s l 的波长范围。饱和吸收器，尤其是半导体饱和吸收器和c r 4 + ：y a g 、 v ”：y a g 应用于全固态激光器，在时域上扩展了d p s l 的脉冲范围。还有二极管泵 清的光纤激光器由于在光通讯方面的应用前景，也是研究比较多的一个方向。 第一章导论 本论文第一章回顾了全固态激光器的历史和发展过程，与二极管激光器和固体 激光器对比介绍了全固态激光器的主要优势和适合l d 泵浦的激光晶体的主要特 性，总结了全固态激光器的研究现状和发展方向及本论文的主要研究内容；第二章 对n d ：y v 0 4 晶体激发1 0 6 4 m 的激光特性进行了系统地研究，从速率方程出发，结 合c r 4 十：y a g 可饱和吸收的特性，对其准连续激光输出特性进行了理论研究，给出 了脉冲的峰值功率、重复频率的计算公式；并通过讨论热透镜效应以及模式匹配对 激光器输出特性的影响，在实验中得到了高峰值功率( 1 8 k w ) 、高平均输出功率 ( 42 3 w ) 和窄脉宽( 8 n s ) 的准连续1 0 6 4 n n l 激光输出：第三章以n d ：y v 0 4 c 广：y a g 被动调q 激光器为基础，结合k t p 的倍频光学特性，采用腔外倍频的方法获得了 高重复频率( 2 l k h z ) 、窄脉冲宽度( 1 3 n s ) 的5 3 2 1 1 r 1 1 绿光输出。腔内倍频时获得的 最大平均输出功率为6 8 4 m w ，计算得到的峰值功率为3 0 8 k w ：第四章介绍了蓝光 激光器的历史、国内外已取得的成果和面临的难题，详细论述了n d ：y a g 晶体的激 光特性和9 4 6 n m 激光起振的条件。采用l d 端面泵浦n d ：y a g 见b o 腔内倍频，实 现了4 7 3 衄连续蓝光输出，得到最大平均输出功率为8 7 6 m w ，斜效率为1 1 ，倍 频转换效率为1 2 。 8 第二章大功牢n d + w o c 一+ y a g 被动调q 激光器 第二章大功率n d ：y v 0 。c r ”：y a g 被动调0 激光器 调q 技术的发展和应翊是激光发展史上的一个重要突破，其特点是把激光能量 压缩在宽度极窄的脉冲中发射，使光源的单色亮度提高几个数量级。它的基本原理 是通过某种方法使谐振腔的损耗按规定的程序变化，使谐振腔在极短的时间内输出 一个巨脉冲。常用的调q 方法有：转镜调q 、电光调q 、声光调q 及饱和吸收调q 等。本章我们给出了一般的调q 理论，然后讨论了热透镜效应对脉冲输出特性的影 响，对大功率l d 泵浦的n d ：y v 吼以c r “：y a g 作为可饱和吸收体的被动调q 激光器进 行了实验研究，得到了高峰值功率( 埔k w ) 、高平均输出功率( 4 2 3 w ) 、窄脉宽( 8 n s ) 的准连续1 0 6 4 n m 激光输出。 2 1 调q 技术的概况 自世界上第一台激光器诞生之日起( 1 9 6 0 年) ，人们就对激光器及其相关方面 的发展倾注了极大的热情。经过几十年的发展，激光器尤其是固体激光器在工业激 光材料加工、激光医学、激光化学、科学研究与发展以及国防军事等方面获得了广 泛的应用。随着社会的不断进步，人们对激光器的特殊要求多了起来。例如，在激 光测距、激光雷达和激光材料加工等方面，人们需要峰值功率高、脉宽窄的激光器； 而普通脉冲激光器的峰值功率只有几十千瓦，脉宽只能达到微秒或亚微秒的数量 级。如果增大泵浦功率，只是增加了输出脉冲个数，达不到提高峰值功率的目的。 调q 技术的出现是激光发展史上的一个重要突破。1 9 6 1 年，哥伦比亚大学的 h e l l w a n l l 和m c c l i n o j 首次提出：利用能量的贮存和快速释放可以获得激光巨脉冲。 通过某种方法使谐振腔的损耗按照规定的程序变化：在泵浦激励刚刚开始时，让腔 处于低q 值状态，此时由于腔阈值很高，不能产生振荡，粒子在激光上能级持续积 累；当反转粒子数密度达到一个较高的数值后，在适当的时刻使腔q 值突然升高， 腔阈值下降，此时反转集居数大大超过阈值反转粒子数，受激辐射迅速增加，在极 短时间内，消耗掉能级贮存的大部分粒子，转变为谐振腔内的激光能量，从而在输 出端产生一个强脉冲激光。 9 第二章大功率n d ：y v o c ，y a g 被动调q 激光器 应用调0 技术，可以大大提高峰值功率，缩短脉冲宽度。1 9 6 2 年研制出的第 一台调0 激光器的峰值功率只有6 0 0 千瓦。目前，人们已经获得了峰值功率为兆瓦 级、最小脉宽为几纳秒的脉冲输出【l ”。 调o 技术根据不同的分类方法可以分为不同类型：按开关时间与脉冲建立时间 比较可分为快开关调q 方式和慢开关调q 方式；按控制损耗的形式分为控制反射 损耗的、控制吸收损耗的、控制衍射损耗的、控制输出损耗的：按调节方式还可以 分为主动调q 和被动调q 。主动调q 是利用某些物理原理主动地控制谐振腔内光 的损耗以达到q 值突变的目的，被动调q 是利用被动调q 元件强烈的非线性效应 来实现q 值突变的目的。下面简要介绍几种常用的调q 方式： 1 、转镜调q 。是在脉冲固体激光器基础上用一个被高速马达带动旋转的全反 镜代替原来的固定全反镜，构成了一个q 值作周期变化的谐振腔。转镜调q 是发 展最早的一种q 开关，由于其开关时间与脉冲建立时间近似相等，故属于慢开关类 型。主要缺点是在高速转动下，机械磨损影响使用寿命，而且需要装配工艺高，现 在己较少使用。 2 、声光调q 。是利用声光介质中的超声场产生衍射。有超声场存在时，造成 谐振腔的损耗增大，若突然撤消超声场，则衍射效应自行消失，腔损耗减少。声光 调q 属于快开关类型，调制电压较低，一般能获得1 6 0 k h z 的重复频率，稳定性 好：但开关能力差，输出脉宽较宽，一般在几十到数百纳秒，主要应用于激光遥感、 测距、雷达等领域。目前，声光调q 是获得巨脉冲的重要技术手段。 3 、色心氟化锂调q 。利用f i f ：f 2 晶体的可饱和吸收特性进行调q 运转。f 2 心 有四能级结构，在强光泵浦下可出现饱和吸收，其作用与有机染料类似，通过改变 辐射剂量可以改变其透过率。但是其色心容易退化。 4 、被动调q 。利用非线性饱和吸收介质在强激光作用下由于吸收饱和而呈现 透明的特性实现调q ，有机染料是种典型的非线性吸收介质，在强激光作用下由 于吸收饱和而对激光呈现透明。此种开关装置简单，输出脉宽窄，但稳定性差。使 用有机染料作为饱和吸收介质时需要经常更换染料。目前都在开发新型的固体可饱 和吸收介质作为被动调q 元件，如c r 4 + ：y a g 晶体。 利用c r 4 + ：y a g 在o 9 1 2 岬l 的可饱和吸收性将其做成此波段的调q 开关。输 出的调q 激光具有窄脉冲、高重复频率的优点，非常适合光通讯、激光雷达等领域 的应用a 目前，国内这方面的研究还停留在实验室阶段。不过，与主动调0 方式相 第二章大功率n d ：y v o 。c ，+ y a 0 被动调q 激光器 比，被动调q 方式不需要外加辅助设备，结构简单可靠，便于操作，价格便宜，在 中小功率激光器中被广泛采用。 2 2n d ：y v 0 。晶体的激光特性 n d ：y v 0 4 晶体是由m i t 林肯实验室的j r o c o 衄o r 于1 9 6 6 年发明的【3 】。由于晶 体生长困难、导热性差，曾一度被人们放弃。八十年代中期，晶体生长技术的进步 和高性能激光二极管的迅猛发展，使得n d ：y v 0 4 成为近十几年来全固态激光领域 研究最为普遍的一种晶体。 一、n d ：y v 0 4 的晶体结构 掺钕离子的钒酸钇晶体为四方晶体，锆英石( z r s i o 。) 型结构，属单轴晶系。 晶体生长过程中用钕离子( n d 3 + ) 取代部分钇离子的位置，n d 3 + 的位置具有低的点 群对称性，离子振荡强度大。钒酸钇基质对钕离子具有敏化作用，提高了激活离子 的吸收能力。同时n d ：w 0 4 具有很强的双折射特性( 五f 1 0 6 4 m 时，。- 1 9 5 8 ， = 2 1 6 8 ) 。对口轴切割的晶体，其光场e 矢量平行于晶体光轴方向的7 r c 锅振( e c ) 和d 偏振( e 上c ) 的光谱特性有明显的差异，其最强的吸收和辐射都发生在椭振 取向。因此，一般采用d 轴切割、刀偏振泵浦用以产生最强的线偏振( 刀偏振) 激光输 出；而且在倍频时，线偏振的基频光有利于提高倍频效率。 二、n d ：w 0 4 晶体的能级结构 图2 1 给出了n d ：w o 。晶体的能级结构。从图中可以看出，它与其它掺钕离 子的几种晶体，如y a g 、y l f 等的能级结构大致相同。图中激光跃迁过程用粗线 表示，泵浦光谱线用细线表示，波浪线表示无辐射弛豫过程。 泵浦光有8 0 8 姗和8 1 0 m 附近的两条谱线。泵浦光把粒子从基态激发到4 f 5 ，2 能级，但粒子在此能级的寿命非常短( r 一1 0 4 0 s ) ，可通过无辐射跃迁很快地弛豫到 亚稳态4 f 抛能级上。该能级的寿命相对较长( r 一1 0 4 s ) 。四条主要的发射谱线是： 4 f 3 ，2 ，1 15 ，2 ，4 f 3 ，2 _ 4 1 1 3 应，4 f 3 ，2 1 1 l ，2 ，4 f 3 ，2 i 蛇，对应的波长分别是：1 8 3 9 啪、 1 3 4 2 砌、1 0 6 4 n 1 和9 1 4 咖。其中1 0 6 4 m 的发射截面最大。 能级图右边为主能级斯塔克分裂的各个子能级及相应的能级大小，精确的辐射 跃迁发生在各个不同的子能级之间。 o 蓄 孽 i 霎。 剖嘲鞠鞠黼隧 墨幂翻黛蕊麟 强 峨 图2 一ln d ：w 0 4 晶体的能级结构 l 翱崤置悬 掣略6 丧皇 捌，搿 镧獬 鼎瞒孽譬 捌嗤壤描 瞄t ， 垂蛹限 4 黼i 黛 删带晦 稍糍 鞋 鞫嘲霹 凛燃。 鬟瞒辅 笠惜 巷 2 锵嘉 翱蝴 翱峨l 铺巷鑫 蝴懈 柏拍 2 蚍 嘲魄臻 俐 蠹 三、n d ：y v 0 4 晶体的吸收谱 n d ：w 0 4 晶体吸收截面比较大，吸收带宽比较宽，这也是它相对于n d ：y a g 晶 体的重要优势。图2 2 给出了n d ：y v 0 。晶体的吸收谱。 从图中可以看出，n d ：y v 0 4 晶体的三个吸收峰分别在：5 9 0 n m 、7 5 0 n r n 和8 1 0 n m 附近，其中8 1 0 脚附近的吸收最为强烈，吸收峰值在8 0 8 7 n m ，吸收带宽约2 0 n m 。 四、n d ：w 0 4 晶体的荧光发射谱 图2 3 给出了n d ：w 0 4 的荧光发射谱线，激发源是最大输出功率为1 0 w 的半 导体激光器，在2 5 。c 中心波长为8 0 8 啪，通过调节l d 的控制温度使其发射波长 定在8 0 8 7 n m ，与n d ：w 0 4 的吸收峰相吻合。 三 图2 2n d ：y v 0 4 晶体的吸收谱 发射泌辄m 图2 3n d ：y v 0 4 晶体的荧光发射谱 从图中我们可以看到n d ：y v 0 4 在1 0 6 u m 有很强的增益，它的有效发射截面大 约为2 0 1 0 。1 9 c m 2 ，是y a g 的3 4 倍，因此它的激光阈值较低，很适合于中小功 率的激光器件。n d ：y v 0 4 在1 0 6 4 “m 的线宽大约为o 8 姗，比y a g 的( 0 6 砌) 稍 微宽一些。n d ：w o 一的荧光寿命决定了它能量储存的大小，而且与n d 3 + 离子的掺杂 有密切关系。根据有关文献，随着n d 3 + 离子掺杂浓度的提高，荧光寿命会下降。 2 3c r ”：y a g 被动调0 理论研究 c r “：y a g 是1 9 8 8 年出现的新型光学晶体。它可用作1 3 5 1 5 5 “m 波长范围内 可调谐的激光晶体，具有与t i ：a 1 2 0 3 相近的激光参数，可以采用克尔透镜白锁模方 法获得飞秒超短脉冲；同时，c r 4 + ：y a g 也是0 9 1 2 岬范围的可饱和吸收体，可 用作这一波长范围内激光器的被动调q 元件。与主动调q 或其它染料和色心晶体 被动调q 相比，c r 4 十：y a g 具有吸收截面大、可饱和吸收稳定性好、易获得高掺杂 浓度、使用方便等优点，因此很适合高功率连续或高重复率激光器调q ，尤其适合 于小型全固化固体激光器或微片激光器的调q 。 目前，国内外学者对c r 4 + ：y a g 作为被动调q 开关已进行了许多研究。本节我 们就利用已有的理论对c r 4 + ：y a g 被动调q 激光器的峰值功率、脉冲宽度和能量进 行了理论研究。 一、速率方程 在推导过程中作一些简化：因为调q 脉冲持续时间很短，为n s 量级，可以忽 略调q 脉冲形成过程中的泵浦项、自发辐射项和饱和吸收体的基态恢复项。 c ：y a g 基横模的腔内光子数密度双，0 可以写为： 州动力d 一若 协， r 为空间某点到激光轴上的距离；w 为振荡激光的光斑半径，由谐振腔结构决 定；“o ，0 是指激光轴上的光予数密度。 采用平面波时，c r 4 十：y a g 被动调q 速率方程为4 】： 黪= 詈卜印，以岫( 舟刁 协z ， 粤= 一肛彬 ( 2 3 ) 粤= 1 3 c 研i ( 2 4 ) 出 其中妫腔内光子数密度，n 、仉，分别为激活介质的反转粒子数密度，受激发 射截面和长度；n 卜分别为饱和吸收体基态和总粒子数密度：回3 、毋。分别为饱和 吸收体基态和激发态的吸收截面；厶为饱和吸收体的厚度；为光在谐振腔内往返 第二章大功率n d ：y v o 。c r 和：1 m g 被动调q 激光器 一周的时间；上为激光器的耗散性损耗；伪反转因子，对应于平均产生一个光子所 消耗的反转粒子数个数：月为输出镜反射率。 在平面波速率方程中考虑腔内光强、激活介质反转粒子数密度、饱和吸收体的 基态和激发态粒子数密度的空间分布，得到： 彳塑蛐2 砌 j 西 ( 2 5 ) ：j 里掣b ( 州) f 2 p ， ) f 。一2 k 邶- p ，) 】 2 刀西 掣= 一牌妒( ，r ) ( z _ 6 ) 塑掣一如珈蚶，f ) 沼，) 口( ，d 为激光介质中的反转粒子数密度；，锄。分别为饱和吸收体的基态和总 粒子数密度；品、s 分别为激光光束在激活介质处和在饱和吸收体处的光斑半径。 初始光子数密度来源于自发辐射，可以写成： 妒p ，o ) 1 0 _ 4 妒。p ，f ) 脉冲间隔远大于饱和吸收体的基态恢复时间，因而 玎蹭o ，o ) = ，z 加 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 删刊啡x p ( 一号 协 其中，怖为泵浦光在激活介质中的平均半径，h ( 0 ，o ) 是初始时刻激光轴上的反 转粒子数密度。 把( 2 - 1 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 代入( 2 6 ) 、( 2 7 ) 并积分得： 曲，扣删c x p ( 一剥e x 卜胁肌x p ( 一若 弦m 咖b 拶p 愕c 扣肌x p ( 一刻 弦 将( 2 1 ) 、( 2 1 】) 、( 2 一】2 ) 代入( 2 5 ) 得 第二童大功率n dw o 。c ，：y a g 被动调q 激光器 剑 出 ：型訾型酬 o ：f ，jj 4 ( 盯，一仃：。) 吃。伊( o ，f ) 石一 唧( 一若 ：砌 一肛? 砷，r e x 一( _ 吾 c x 一 _ ：，2 去+ 毒 1 z 胁 舛如胁岫一( 一刻 掣心) + n 司 其中乃为饱和吸收体的小信号透过率 瓦= e x p 卜，】3 。) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 方程 第一章人功率n d ：y v o c 一+ ：y a g 被动调q 激光器 p u m pp a 怕r m 图2 9 激光脉冲重复频率 p u m p p o l 旧m 目 图2 1 0 激光脉冲宽度变化曲线 2 4 【z工兰。一叱co善一mqm叱 一u j s p i o i n 也 第二章大功率n d ：w 0 4 ，c r 斟y a g 被动调q 激光器 p u m p 阳w e r 【州 图2 一l l 激光输出峰值功率曲线 图2 一1 2 脉冲宽度1 8 n s ( 8 w ) 第二章大功率n dw o 。c r 4 + ：y a g 被动调q 激光器 图2 1 3 脉冲宽度8 n s ( 2 l ，2 w ) 图2 1 4 激光平均功率输出曲线 ，vjf5q与鲁丁o o 砑e j o 第二章大功率n d ：y v o 。，c ，+ y a g 被动调0 激光嚣 由实验结果可以看出，输出平均功率随着抽运功率近似成线性增加，而脉冲宽 度随抽运功率的增加减小，重复频率则随着抽运功率的增加而增大，两者对峰值功 率增加的作用基本保持不变，于是峰值功率也近似随抽运功率而线性增大，当抽运 功率增加到2 1 2 w 时，输出激光平均功率达到4 2 3 w ，脉冲宽度8 n s