（光学专业论文）全固态四波长激光器的理论与实验研究.pdf

摘要 全固态多波长激光器可以实现多个波长激光的同时输出或交替输出，而且具有耗电 量小、体积小、效率高、结构紧凑、操作维护方便的优点，在光存储、光显示、激光医 疗、激光微加工等领域中有着重要的应用。本论文对l d 侧面泵浦的多波长激光器进行 了理论分析与实验研究。本论文的主要工作如下： 1 回顾了多波长激光器的特点、应用及多种获得方法，介绍了近些年来多波长激光 器的发展概况。 2 分析了两种常用晶体n d ：y a g 和n d ：y v 0 。的物理光学特性及激光特性；从三波相 互作用耦合波方程出发，引出相位匹配技术并进行了详细的讨论和研究，讨论了常用的 三种倍频晶体k t p 、b b 0 、l b 0 的主要特性；总结了常用的调q 方式，主要分析了电光调 q 方式和声光调q 方式。 3 从恒温冷却的激光晶体内部温度场出发，针对限制固体激光器功率提高的热效应 问题即激光棒的热透镜效应和热致双折射效应进行了分析；分析了非线性晶体的热效 应，提出了一些缓解措施；分析对比了目前常用的几种热透镜焦距测量方法，总结了常 用的热透镜效应补偿方法；设计了一种双透镜望远镜型热不灵敏腔。 4 实验研究了l d 侧面泵浦四波长激光器，首先进行了n d ：y a g 激光器的1 0 6 4 r t m 、 1 31 9 r t m 双波长基频光的实验研究，当泵浦电流为2 0 5 a ，调q 重复频率为ll k h z 时， 获得了最大平均输出功率为1 2 w 的1 0 6 4 r t m 基频光输出，当泵浦电流为2 1 a ，调q 重 复频率为9 4 k h z 时，测得1 3 1 9 a m 激光的最大平均输出功率为8 2 2 w ：提出了水开关实 现光路切换的新方法；最终获得了四波长的交替输出，6 6 0 n m 、1 3 1 9 r u n 、1 0 6 4 n m 、5 3 2 n m 四个波长的最大功率分别为：5 7 1 3 m w 、2 7 5 w 、1 7 2 w 、1 5 w ，在水开关通水时实现了 6 6 0 n m 、1 3 1 9 r i m 及5 3 2 n m 绿光的同时输出，三个波长激光的最大平均输出功率为2 0 0 m w 、 2 。3 4 w 、7 6 m w ；实验还研究了声光调q 频率对功率以及脉冲宽度的影响。 关键词：l d 侧面泵浦，相位匹配，声光调q ，热效应，四波长激光器 a b s t r a c t a l l s o l i d s t a t em u l t i - w a v e l e n g t hl a s e rc a r la c h i e v em u l t i p l ew a v e l e n g t hl a s e ro u t p u t s i m u l t a n e o u s l yo ra l t e r n a t i v e l y i tp l a y sa i li m p o r t a n tr o l ei no p t i c a ls t o r a g e ，o p t i c a ld i s p l a y , l a s e rm e d i c a lt r e a t m e n t , l a s e rm i c r om a c h i n i n ga n ds oo n ，f o ri t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , s m a l ls i z e ，h i 曲e f f i c i e n c y , c o m p a c ts t r u c t u r e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e i nt h i s p a p e r , l ds i d e - p u m p e dm u l t i - w a v e l e n g t hl a s e ri sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n dr e s e a r c h e d e x p e r i m e n t a l l y t h em a i n e o n t e n so ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c s 、a p p l i c a t i o n sa n dm u l t i p l ea c c e s sm e t h o d so fm u l t i - w a v e l e n g t h l a s e r sa r er e v i e w e d ，t h ed e v e l o p m e n to f m u l t i w a v e l e n g t hl a s e ri nr e c e n ty e a r si si n t r o d u c e d 2 t h ep h y s i c a lo p t i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n dl a s e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w oc o m m o nc r y s t a l n d ：y a ga n dn d ：y v 0 4a r ea n a l y z e d ；d r a w i n gf r o mt h et h r e ew a v ei n t e r a c t i o ne q u a t i o n , p h a s e - m a t c h i n gt e c h n i q u ei sd i s c u s s e da n dr e s e a r c h e da tl e n g t h t h em a i nf e a t u r e so ft h e t h r e ec o m m o nn o n l i n e a rc r y s t a lk t p , b b o ，l b oa r es u m m a r i z e d ；t h ec o l n i n o nm e t h o d so f q - s w i t ha r ec o n c l u d e d ，s u c ha se l e c t r o - o p t i c sq - s w i t c ha n d 3 d e d u c i n gf r o mt h ei n s i d et e m p e r a t u r ef i e l do fl a s e rc r y s t a lw h i c hi sc o o l e db yc o n s t a n t t e m p e r a t u r e ，t h et h e r m a ll e n se f f e c ta n dt h e r m a li n d u c e db i r e f r i n g e n c ee f f e c ta l ea n a l y s e d ，f o r t h el a s e rp o w e ri sl i m i t e db yt h e s et h e r m a le f f e c t s ；t h et h e r m a le f f e c t so fn o n l i n e a rc r y s t a la r e a l s oa n a l y s e da n ds o m em i t i g a t i o nm e a s l e sa r es u g g e s t e d ；af e wo fc u r r e n tm e a s u r e m e m m e t h o d sa b o u tt h e r m a lf o c a ll e n g t ha r ec o m p a r e d ，a n dt h eu s u g a lc o m p e n s a t i o nm e t h o d sa r e s u m m a r i z e d ；a tl a s t ，o n et y p eo fd o u b l e l e n st e l e s c o p et h e r m a li n s e n s i t i v ec a v i t yi sd e s i g n e d 4 l ds i d e - p u m p e df o u r - w a v e l e n g t hl a s e ri ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y f i r s t l y , t h10 6 4 n m 、 1319 r i md o u b l e - w a v e l e n t hn d ：y a gl a s e ri ss t u d i e d w h e nt h ep u m p i n gc u r r e n tr e a c h e da t 2 0 5 aa n dt h er e p e t i t i o nf r e q u e n c yi s11 k h z , t h em a x i m u ma v e r a g eo u t p u tp o w e ro f1 0 6 4 n m l a s e ri s12 w w h e nt h ep u m p i n gc u r r e n tr e a c h e da t21aa n dt h er e p e t i t i o nf r e q u e n c yi s 9 4 k h z ，t h em a x i m u ma v e r a g eo u t p u tp o w e ro f1319 r i ml a s e ri s8 2 2 w t h en e wm e t h o do f u s i n gw a t e rs w i t c ht oc h a n g ew h i c hl a s e rt oo u t p u ti sp r o p o s e d t h e n , f o u rw a v e l e n g t hl a s e r a r eo u t p u t t e da l t e r n a t i v e l ya n dt h em a x i m u m a v e r a g eo u t p u tp o w e ra r e5 71 3 m w 、2 7 5 w 、 17 2 w 、1 5 wa t6 6 0 n m 、1319 n m 、10 6 4 n m 、5 3 2 n m w h e nt h ew a t e rs w i t c hi sf i l l e d 、析mw a t e r , t h et h r e el a s e ro fw a v e l e n g t ha t6 6 0 r i m 、1319 r i ma n d5 3 2 n ma r eo b t a i n e ds i m u l t a n e o u s l y t h e m a x i m u ma v e r a g eo u t p u tp o w e ra r e2 0 0 m w 、2 3 4 wa n d7 6 m w ；a tl a s t ，t h ee f f e c to ft h e f r e q u e n c y o fa c o u s t o - o p t i c q s w i t c h o n o u t p u tp o w e r a n dp u l s ew i d t hi ss t u d i e d e x p e r i m e t a l l y k e y w o r d s ：l ds i d e p u m p e d ，p h a s e - m a t c h i n g ，a c o u s t o - o p t i cq s w i s h , t h e r m a le f f e c t ， f o u r - w a v e l e n g t hl a s e r 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。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。本人授权西北大学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。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：盘查洚 铂f o 年6r l e t 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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：豪矛孑鬈 珈0 年月门日 一 日 他一 签 吖 币 h j y 、占 燃 芴 导曙 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 6 0 年，红宝石脉冲固体激光器研制成功，开辟了激光技术的里程碑。至今为止， 人们已经在几千种物质中获得了激光输出，激光输出单脉冲能量高到几十万焦耳，功率 高至千太瓦，连续输出功率在几万瓦以上。超短脉冲的宽度可压缩至几百阿秒量级【1 j 。 固体激光器以其功率较大、结构牢固、体积较小而被广泛应用发展。尤其是二极管泵浦 的全固态激光器大大解决了灯泵固体激光器热效应严重的问题，而且结构紧凑、能获得 高质量的输出光束。随着人们对一台机器上输出多个波长的激光的需求越来越大，国际 上对全固态多波长激光器做了大量的研究。这些研究不但促进了全固态多波长激光器的 发展，更重要的是其应用促进了工业、医疗、通讯和科学研究等领域的蓬勃发展。 多波长激光器的特点和应用 由于激光具有独特的四大高单色性、高方向性、高相干性、高亮度性，使得其能量 在空间、时间和光谱上高度集中，人们将更多的注意力放在波长的拓宽、功率和能量的 提高上，加速了激光技术的发展。相比于传统的单一波长激光器，多波长激光器可以实 现多个波长激光的同时输出或交替输出，人们可以在一台激光器上使用多个波长的光， 既方便又省去了购买多台激光器的费用。常见的多波长输出波段已经涵盖了从紫外到红 外光，大大满足了人们生产生活的需求。 在激光的众多应用领域中，可见光激光主要应用于光存储、光显示、激光医疗、激 光微加工等领域。 1 1 1 光存储 光盘存储技术是随着大数据量信息的存储和交换发展起来的，它不仅能存储海量的 信息，还能够同时存储声音、文字、图形、图象等多种媒体的信息，具有存储密度高、 容量大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠、轻便易携带等一系列优点，在信息 存储、传输、管理和使用方式上，相对于传统的记录媒体发生了根本性的变化。 光盘是通过凹槽和非凹槽来存储数据的。存储时，刻录机在光盘表面刻出许多凹槽， 由于凹槽和非凹槽对光的反射能力不同，在光盘驱动器中，由于光盘片是不断旋转的， 当激光射向旋转中的光盘片，光束有可能照射在连续的平面( l a n d ) 和凹槽( p i t ) 上， 这时反射光经透镜聚焦射向接收资料的光电装置，光电装置会将这个光信号转换成相应 第一章绪论 的数字信号0 。另一种可能就是光束照射在平面向凹槽转变或凹槽向平面转变的位置上， 这时反射光会发生很大的变化，强度变得很弱，光电装置会将这个较弱的光信号转换为 相应的数字信号l 【2 】。如图所示l 【3 】： 厂 一一厂 厂 油- - - ol1 1ool ol o ，曩- 压正 厂 n 几 光盘记录的脉冲调制( 矗) _ 耜脉宽调制( b ) 图1 光盘信号调制技术示意图 光存储产品中，激光波长越短，凹坑的尺寸和凹坑的间距越小，从而实现存储容量 的大幅增加，2 6 6 n m 紫外激光波长短，是d v d 光盘制作的良好光源，制成的光盘分辨 率高、存储容量大。 1 1 2 激光加工 工业激光加工技术是采用集光学、机械、电气与自动控制、计算机软件和材料科学 于一体的综合性高科技技术，它主要包括激光标记、激光焊接、激光切割、激光打孔等 技术。随着各国经济的快速发展，激光在工业领域内的市场需求逐渐增大，研究者对激 光加工技术的研发也不甘落后，技术创新的同时进一步开拓了激光加工领域，传统的激 光加工领域主要为钟表、电池、衣扣等轻工行业，现在逐步向电子行业、机械制造业、 汽车制造业、航空、动力和能源以及医学和牙科仪器设备制造业等应用领域拓展【4 】 激光打标技术是近几年发展最快的一项激光加工技术。激光打标是采用高能量密度 的激光照射工件的特定部位，工件表层的材料因吸收高能量而汽化或发生颜色变化的化 学反应，从而在工件上留下永久性的标记。激光打标方法便捷，能标记各种字型、图案、 数字以及条形码，而且标记线宽可小于0 0 1m m ，广泛使用在很小的零件上，这是其他 标记方法不能实现的，打标深度可深可浅；具备永久性，可作防伪标记；标记的字符清 晰，图形质量好；效率很高，成本低，可对多种材料进行标记 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，表面热量通过热传导向内部扩散， 通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成焊接 采用激光焊接技术可以极大地降低加工成本，同时又提高了生产效率和产品质量，例如， 2 塑j e 盔堂堡主堂垡丝塞 在激光焊接技术出现之前，生产汽车零部件必须采用铸造工艺，而现在就可采用冲压工 艺，从而减轻了零部件的重量，节约了原料 激光切割系统是在激光加工应用最广泛的项技术，它是将激光束通过光学系统聚 焦获得高功率密度的小光斑，再照射在材料上，材料吸收高能量被快速加热至汽化温度， 这时采用喷射气体吹化，从而分割材料。聚焦以后的激光焦点处能量密度极高，可以切 割一些硬度极高的物质，而且激光切割无机械变形、无刀具磨损，容易实现自动化生产。 大功率三维激光切割、焊接技术是目前激光应用技术的最高水准，在航空航天、国 防建设等重大战略需求上有着重大意义，也是衡量该领域国家综合竞争能力的标尺和国 家制造业先进水平高低的尺度。而我国目前在该领域的技术才属于初始探索阶段，虽然 国外在该方面技术领先，但其限制对我国的出口，更加阻碍了我国该技术的借鉴和发展 学习，我国目前尚没有成熟的能够生产实用型大功率三维激光切焊设备的企业。 2 0 0 9 年，上海团结普瑞玛激光设备有限公司，创新地应用d o m i n o 三维激光切割 技术，成功研制出国际领先的超大台面三维激光加工设备【5 1 ，填补了该项技术的国内空 白。该设备采用了4 0 0 0w 大功率激光器，提高了大幅面三维切割光束的稳定性，获得 了良好的加工效果。 激光束也广泛应用于打孔，由于激光在空间和时间上的高度集中，通过光学手段可 使光束聚焦获得具有很高的功率密度微米级光斑直径，几乎可以对任何材料进行激光打 孔 1 1 3 激光医疗 1 9 6 1 年扎雷特( z a r e 0 ，以后坎贝尔( c a m p b e l l ) 等人相继用激光研究视网膜剥离 焊接术，并很快用于临床。目前激光在医疗临床上除气化、凝固、烧灼、光刀、焊接、 照射等治疗应用外，在诊断和基础理论研究方面出现了许多新技术，如激光荧光显微检 查，激光微束照射单细胞显微检查技术，激光显微光谱分析，生物全息摄影及细胞或分 子水平的激光检测和微光手术等。激光配合导光纤维的应用对各种体腔内肿瘤及其他疾 患的诊治，以及结合各种内窥镜进行激光光敏疗法诊治腔内肿瘤新技术提供有利手段。 利用激光治疗心脏疾病和血管内斑块栓塞，包括冠状动脉粥样硬化阻塞后的激光血管再 通。 在诊治方面，激光已用于每一临床学科，应用激光技术诊治疾病的新方法将超过传 统的诊治方法，激光技术将引起内外科治疗的“革命”，激光技术还将更广泛的应用于发 3 现和治疗癌瘤，进行咽喉外科手术以及缝合血管、神经、肌腱和皮肤，治疗动脉硬化斑、 血管栓摩和内科、皮肤科等的许多疾病m , 7 i 。 皮肤血管病变是目前应用激光治疗的撮普遍的疾忠，就功能而言，可分为两种。一 是治疗色素性皮肤疾病二是治疗血管性皮肤疾病，二者治疗机理不同。 治疗色素性皮肽疾病常用的激光器为n d ：y a g 调q 绿光( 5 3 2 n m ) 与近红外光 ( 1 0 6 4 n m ) ，这两个波长的激光能有效地穿透表皮，到达真皮层的色素团，然后被相应 的色素吸收。色素颗粒( 黑色素、纹身墨水等) 在瞬日j 吸收如此高的激光能量后迅速膨 胀、破裂，形成更小的碎粒，在随后的炎症反应中这些小砰粒被体内的吞噬细胞清除 出体外，从而达到治疗目的。这是利用激光的“爆破效应”，脉冲5 3 2 n m 绿光，适用于 治疗表皮良性色性疾病，如：色素痣、着色斑( 老年性或日光性) 、黄褐斑，黄、红、 橙、褐色浅色纹身，脉冲1 0 6 4 n m 近红外光，适用于治疗真皮层色素疾病，如：太田痣、 深色纹身，黑、蓝和深色创伤性纹身，失败性纹眉、纹眼线等 治疗血管性瘦肤疾病常用的激光波长为n d ：y a g 调q 5 3 2 n n l 绿光与色索性疾病不 同，是利用激光辐照的“热效应”进行治疗。病变部位的血红蛋白吸收了激光能量其 “热效应”使血管收缩光凝，园缺氧而导致病变部位的血管逐渐消褪，从而达到治疗目 的。该治疗过程币出现“紫瘴”现象，尽量减小对表皮的热损伤。 图i2 是高能脉冲激光治疗色素性和血管性皮肤病的临床观察t n t ”： 太口瘴治疗前 太田痣治疗6 次后 血管瘤治疗前血管瘕治疗2 歌后 圈12 激光泊疗色章性和血管性皮肤病的临床观察囤 n n r f 上，红光治疗是光动力疗法的重要手段9 ”1 。p d t 的基本原理n 是：在治疗 塑j 盔堂塑主堂丝堡奎 时，先将特定的光敏物注入体内，光敏物会选择性的停留在肿瘤组织内，这时我们用蓝 光照射肿瘤所在器官，肿瘤内的光敏物质吸收蓝光而产生一定波段的萤光，根据发光位 置就可以辨别肿瘤的位置及范围，方便诊断，最后用红光照射肿瘤组织，光敏物吸收光 能产生光化学反应，将光能转移给组织内的其他物质，产生对细胞有毒性的自由基 ( f r e e r a d i e a l s ) ，或与组织细胞内之氧分子作用，形成对细胞有毒性的单一态氧( s i n g l e t o x y g e n ) ，这些有毒性的自由基或单一态氧就是可以使癌细胞组织凋亡，达到治疗目的， 这种光动力疗法选择性腔，判断准确，而且穿透透能力强，可以达到组织深处。医疗上 常用的光动力疗法采用6 6 0 h m 红光照射血叶琳醋硫酸盐( 光敏剂) ，在光化学反应的作 用下，产生单态氧等氧化力极强的细胞毒性物质而杀死癌细胞【1 2 】，而n d ：y a g 介质的 1 3 1 9 谱线发射截面大，仅次于1 0 6 4 r i m 谱线跃迁，通过合理的选模，我们可以容易得到 1 3 1 9 n m 及光输出，这就为倍频产生的6 6 0 r i m 红光提供了很好的条件，进一步促进了医 疗治疗癌症的进展。 1 2 多波长激光的获得方法 目前，获得多个波长激光同时或交替输出有多种途径，按照不同的产生方法，将多 波长激光器分为：气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、染料激光器 矗盘 号手o 1 2 。1 气体激光器 在工业和医学领域中常见的气体激光器是氩离子激光器和氪离子激光器，其是利用 气体放电管内氩、氪原子电离并激发后在离子激发态能级间实现离子反转，继而通过粒 子跃迁产生激光。氩离子气体激光器的主要输出波长在4 8 8 n m 和5 1 4 5 n m ，氪离子气体 激光器的主要输出波长在4 7 6 2 n m 蓝光、5 2 0 8 r i m 绿光、5 6 8 2 r i m 黄光和6 4 7 1 n m 红光， 这些波长涵盖红黄绿三基色，因此可用于激光彩色显示，采用合适的配比还可以实现白 光及光输出，在医疗领域中被用来治疗多种眼科疾病，现在多数医院采用的眼底病激光 治疗仪便是美国相干公司生产的多波长氪激光治疗仪，临床效果很好。 c 0 2 激光器约有2 0 0 条激光振荡谱线，其中有两组最强的谱线，1 0 6 v m 和9 4 m n 。 c 0 2 激光器增益和效率高，输出功率达万瓦以上，主要i t 3 】应用于激光切割，涉及电气制 造、电梯业、运输机械、石油工业、纺织机械、粮食机械、医疗机械、灯具、装饰、包 装业以及激光加工站和科研院所等多方面。 第一章绪论 1 2 2 固体激光器 固体激光器具有耗电量小、体积小、效率高、结构紧凑、操作维护方便的优点， 全固态激光器更加大大消除了热效应的影响，利用现有多波长激光晶体和各种激光技术 相结合是当前发展全固态多波长激光器的主要途径。国内外获得多波长激光同时输出的 研究技术方案大致有三种：第一种是，利用激光晶体发射的多条荧光谱线实现多个基频 激光同时输出；第二种方法是将激光晶体发射的一条或多条荧光谱线，结合倍频、和频 技术，实现多波长激光同时输出；三是光参量振荡结合非线性技术倍频或者和频，实现 多波长激光同时输出【1 4 l 。n d ：y a g 激光器是目前最常用的一类固体激光器，其激光跃 迁可产生2 0 多条谱线1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 ，n d y a g 激光器在室温时以最强的1 0 6 4 n m 激光跃迁振 荡，通过在谐振腔中插入标准具或色散棱镜，或者通过镀膜调制损耗，都可以选择性得 获得其他波长的跃迁振荡。 1 2 3 染料激光器 染料具有非常宽的荧光带宽，它可在很宽的波长范围内连续调谐，染料激光器的波 长，已经涵盖3 2 1 n m 1 3 0 0 0 n m 的范围。常见的以四氢呋喃为溶剂，以p o p o p 为染料发 射的激光波长范围为4 1 1 , - 4 4 8 n m ，染料激光器在光生物学、光谱学、光化学及化学动力学 等超快现象的研究中，都是十分重要的。 1 2 4 半导体激光器 半导体激光器【1 9 1 是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差 异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓( g a a s ) 、硫化镉( c d s ) 、磷化 铟( i n p ) 、硫化锌( z n s ) 等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体 激光器一般是给p - n 结的半导体材料上加上足够大的正向偏压，使p - n 结产生受激复合 辐射而发出激光，光学谐振腔是利用与p - n 结平面相垂直的自然解理面( 1 1 0 面) 构成， 可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜增加反射率。在2 0 0 4 年，日本索尼公 司公开了一种多波长半导体激光器【2 0 1 ，该多波长半导体激光器通过分离区域在公共衬底 上设置的了两个谐振腔结构，即第一侧边发射型谐振器结构和第二侧边发射型谐振器结 构，第一侧边发射型谐振器结构产生波长为6 5 0 h m 的振荡光，第二侧边发射型谐振器结 构产生波长为7 8 0 h m 的振荡光。 1 2 5 光纤激光器 光纤激光器在耦合效率、散热效果、光束质量，可靠性和体积小等方面相比传统的固 6 耍j 丕堂堡主兰垡堡塞 体激光器具备很大优势，广泛应用于光通信，材料加工和处理，医学和印刷等领域【2 l 】。 波分复用( w d m ) 是指在同一根光纤中同时传送几个不同波长的光信号，进行光波 长划分复用通信，也叫光频分制。随着高容量光纤通信网的发展，波分复用技术得以广泛 的采用，多波长光纤激光器得以快速发展，英国电信实验室的a l i s t a i rip o u s t i e 和n c i l f i n l a y s o n 提出的多波长激光器结构，其特点是在由单模光纤所构成的环形腔中加入一段 多模光纤，利用泵浦源特性所产生的宽带光源以及l p 0 1 和l p l l 之间传播常数的差异产 生的空间模式差拍效应，实现多个波长的输出。贝尔实验室的n a m k y o op a r k 和p a u l f w y s o c k i 等提出的实验装置中，采用环形腔结构，通过控制偏振态变化实现波长选择和 损耗大小的控制，掺铒光纤在液氮制冷下以非均匀加宽为主，最终实现了2 4 个波长的 同时激射。可见多波长振荡现象是否能够出现和稳定，与激光器增益介质的加宽特性有 着密切的关系。 1 3l d 泵浦的全固态多波长激光器的发展现状 近年来，单一波长输出的激光器功能显单一，在众多领域如干涉彩虹全息、精细激 光光谱、差分吸收激光雷达( d 队l ) 、激光医学、激光显示领域中需要同时输出两个或 多个波长的激光器，全固态多波长激光器由于其具有结构紧凑、热效应小、体积小、功 率高等优点，相比于气体激光器在某些应用领域中更有优势，因此近年来，全固态多波 长激光器已经成为国际上一个较为热门的研究课题。 早在1 9 9 0 年，h y s h c n 1 6 - 1 8 提出了实现双( 多) 波长同时振荡的阈值平衡条件，并且 比较了几种掺n d 离子激光晶体在灯泵浦下产生连续和准连续双波长振荡的可能性。 1 9 9 2 年，h y s h e n 采用n d ：y a l 0 3 晶体获得了1 3 4 1 4 n m 和1 0 7 9 5 n m 双波长输出，然后 利用两块l i l 0 3 晶体对两个基频光倍频获得到6 7 0 7 r i m 红光和4 1 3 7 n m 蓝光的输出【1 9 1 ， 1 9 9 4 年，林文雄等【2 0 1 报道了采用n d ：y a g 获得1 0 6 4 n m 和1 31 8 n m 的双波长激光器，初 期的多波长激光器都是以灯泵的方式研究的，其热效应严重，输出功率和转换效率非常 低。 随着半导体二极管技术的发展，半导体二极管泵浦的全固态激光器进入了研究阶 段，其大大降低了热效应的严重性，l d 泵浦多波长激光的输出功率和转换效率有了很 大提高，2 0 0 0 年，y e c h c n 2 1 】提出了采用l d 泵浦时实现连续双波长运转的同阈值振 荡条件，并采用l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 晶体三镜腔结构在最大输入功率1 2 4 w 时得到 1 1 w 的1 0 6 4 n m 和2 4 w 的1 3 4 2 n m 的连续双波长输出。2 0 0 3 年，山东师范大学何京良 7 第一绪论 小组利用l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体声光调q 两镜腔结构产生1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 n m 双波 长输出，腔外使用一块非用期光学超品格a p p l t 实现了红、绿、蓝三色激光输出平 均输出功率分别为1 35 r o w 、3 m w 和l5 r o w 以及利用l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体三镜腔结 构产生1 0 6 4 n m 和i3 4 2 n m 连续双波长输出：同年j l h e 在腔外使用一块非周期光学超品 格a p p l t 实现了红、黄、绿交通信号光激光输出输出功率分别为l8 r o w 、o7 9 r o w 和o6 4 r o w 。2 0 0 4 年j l h c 利用l d 泵浦n d ：y v 0 4 晶体声光调q i 镜腔结构产生1 0 6 4 n m 和13 4 2 n m 双波长输出，腔外使用一块非周期光学超晶格a p p l t 实现了红、黄、绿、蓝 四色激光输出输出功率分别为1 87 m w 、16 m w 、ll m w 和o6 m w 。2 0 0 6 年，r u iz h o u 等报道了l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 品体，在晟大输入功率2 4 w 时得到总的输出功率 为4 3 9 m w 的1 3 8 6 n m 和1 3 4 2 n m 的连续双波长输出：l z h a n g 口4 1 报道了l d 泵浦n d ：y a g 品体1 0 6 4 n m 和9 4 6i h - n 双波长脉冲激光输出，在注入功率1 4 2 w 时获得总的平均功率 l6 w 的双波长输i f ，转换效率为1 l3 ：l uy , z h a n gb g , l ie b 等通过l d 端面泵浦 n d ：y a g 晶体1 0 6 4 r i m 和9 4 6 n r n 双波长连续激光输出。2 0 0 8 年，z h u ，1 4 y 等口6 1 报道了 l d 侧面泵浦n d ：y a 0 晶体，在泵浦功率4 8 0 w 重复频率5 k h z 时，得到总的平均输出 功率4 3 w 的1 3 1 88 r i m 和1 3 3 82 a m 的双波长输出。同年西北大学光子所口”利用l d 侧面泵浦n d ：y a g 晶体产生1 0 6 4 r i m 和1 3 1 9 r i m 双波长输出，采用一块l b o 倍频晶体、 一块k t p 倍频晶体、一块k t p 和频品体实现腔内非线性频率转换，获得红( 6 6 0 n m ) 、 绿( 5 3 2 n m ) 、黄( 5 8 9 n m ) 同时输出，如图l3 所示 圈1 3 红黄绿三波长激光同时振荡输出装兰 西北大学硕士学位论文 第二章全固态多波长激光器的理论 固体激光器由工作物质、泵浦源、光学谐振腔、冷却系统等部分组成，泵浦源为工 作物质中粒子束反转提供能量，工作物质是激光器的核心，工作物质中的激活离子通过 受激辐射产生激光，光学谐振腔用来提供光学反馈，由全反射镜和部分反射镜组成，冷 却系统是固体激光器中必不可少的辅助装置，其作用是防止内部元件温度过高，热效应 严重易引起棒破裂的现象。限制固体激光器功率提高的最重要因素是热效应。而全固态 激光器相对之前的灯泵式固体激光器大大降低了热效应，它是指用激光二极管代替闪光 灯泵浦固体激光增益介质的激光器，也称为激光二极管泵浦的固体激光器( 1 a s e rd i o d e p u m p e ds o l i ds t a t el a s e r , l d p s s l 或d p l ) 。它集两种激光器的优势于一身，具有转换效 率高、器件结构紧凑、体积小、寿命长、可靠性高、结构牢固、光束质量好、输出能量 大、峰值功率高、工作介质覆盖的波段广及运转方式多样等有点，与非线性光学频率变 换技术相结合，可实现多种波长的运转，已成为当前激光技术发展的主要方向【3 4 1 。 为了在一台激光器上实现多个波长激光输出，我们必须选择合适的激光晶体、非线 性技术及非线性晶体以及为了获得一定脉宽的脉冲激光所采用的调q 方式，本章就从这 三点出发，逐一进行分析讨论。 2 1 激光工作物质的物理及光学特性 激光器的工作物质必须具有尖锐的荧光线、强吸收带和针对所需荧光跃迁的相当高 的量子效率【3 5 1 一般来说，掺杂少量元素的晶体或玻璃通常具有这些特点，三价钕离子 在某些有序结构的晶体中呈现出足够长的荧光寿命和窄荧光线宽，且n d 3 + 拥有远高于基 态激光跃迁的激发能级，易于实现室温下的连续工作，因此，将钕离子添加入到石榴石、 玻璃、蓝宝石、c a w 0 4 、c a m 0 0 4 、c a f 2 、l a f 3 等多种固体基质材料中，可以低阈值实 现受激辐射产生激光。 2 1 1n d ：y a g 的物理及光学特性 n d ：y a g 是目前最常用的一种固体激光材料，也是最成熟的固体激光材料，如图2 1 所示，y a g 晶体的化学式为y 3 a 1 5 0 1 2 ，属于立方晶系，纯的y a g 无色且光学各向同性， 具有立方结构特性，n d ：y a g 是将三价的激活离子n d ”掺入钇铝石榴石中，替代y 3 + 离 子，不需要补偿电荷。由于n d ：y a g 晶体具有立方结构，所以易于得到窄的荧光谱线， 9 g 。章固巷多波k 澈光嚣的论 导致了高增益、低阈值。除此之外，作为基质的y a g 具有很高的机械强度，良好的导 热性和光学质量，且n d 的吸收峰与g a a s 二极管辐射的光谱重合，因此l d 泵浦的 n d y a g 激光器是最常见、发展最迅速的d p l 器件，在g u c s i c 等人删首次报道成功进 行n d ：y a g 激光器运转几十年来，科研人员们已经利用单棒获得连续输出功率高至几 千瓦。 圄2 1 未经切割的n d ：y a g 晶体 y a g 中的钍原子浓度通常限制在1 左右为了产生高储能，需要高浓度的掺杂 但由于在n d ：y a g 中，y ”和n d ”两种稀土离子的半径差约3 ，掺杂的钕原子浓度太 高时，晶体就会出现应变，严重破坏了y a g 的晶格，引起荧光寿命缩短，线宽展宽， 最终导致光学质量变差。因此在选择n d ：y a g 时，存在一个最佳掺杂浓度，尽可能充分 利用工作物质提高激光措的性能。一般的原则是，在连续运转情况下为了获得优良 的光束质量，通常选择低掺杂浓度( o6 08 ) ；在q 开关运转时，通常选择高浓度的 掺杂( 大约为l2 ) 获得高储能；在高功率泵浦的y a g 激光器中，往往选择低掺杂浓度 ( 如0 6 1 柬降低热效应，提高激光性能。并且防止浓度碎灭。表2 l 列出了n 出y a g 晶体的物理和光学特性。 表2 in d ：y a g 的物理及光学特性 化学式 n d ：y ，a 1 0 0 l ， 质量百分比 n d 原子百分比 n d 匣子数c m l3 8 k 1 0 1 9 7 0 熔点( 1 莫氏硬度 8 85 西北大学硕士学位论文 密度( g c m 3 ) 4 5 6 断裂应力( k g c m 2 ) 1 3 2 6 1 0 6 散射损耗( c m 1 ) 0 0 0 2 热膨胀系数 【1 0 0 】方向 8 2 x 1 0 巧一，0 2 5 0 c 【1 1 0 方向 7 7 x 1 0 - 6 一，1 0 - , 2 5 0 ( 2 f 1 1 1 方向 7 8 xl o 巧，0 2 5 0 c 折射率 1 8 2 ( g = 1 o a m ) 线宽 0 4 5 n m 荧光寿命2 3 0 h s 受激发射截面r ：一y 。 0 2 l ：6 5 xl o 1 9 c m 2 2 1 2n d ：y a g 的激光特性 444 4 n d ：y a g 晶体的跃迁能级图如图2 2 所示，能级基态为i 2 能级，i i l 尼，i i 抛，i 吮 均可作为激光下能级，4 是亚稳态能级，其荧光效率高于9 9 5 ，荧光寿命为2 3 0 ， 可作为激光上能级。 ，、 毫 u 备 、， 交 翘 4 f r o 4 i i 船 4 1 1 搬 舢h 口 4 l 媳 4 g 7 岔+ 2 g 眈 4 g ，o + 2 g m 泵浦带 图2 2n d ：y a g 的跃迁能级结构图 趁 撕 培坫控m 8 6 4 2 o 第二章全固态多波长激光器的理论 n d 3 + 在光泵浦下吸收能量从基态跃迁到各吸收能级后，迅速通过无辐射弛豫跃迁到 亚稳态能级f 3 忍，向下能级自发辐射可产生三条明显的荧光谱线，其所对应的能级 跃迁和中心波长为 44 f _ l q 9 4 6 p , m 3 2 9 2 44 f _ l、0 6 4 1 u n 3 21 1 2 一 ，44 f 抛_ ，1 3 1 9 1 a m l 3 23 尼 这三条荧光谱线的发射分支比( 每条谱线的强度和总荧光强度之比) 为0 2 5 ，o 6 0 ， o 1 4 。能级。l 尼，3 尼分别比基能级高出2 1 1 1 c m l 和4 0 0 0 e r a 1 ，因此其粒子数密度是基 能级的e x p ( 啪e x p ( - l o ) , 此两个激光下能级上几乎没有热粒子数。当粒子从能级乞 向i i i 2 跃迁时，激光器为四能级激光系统，跃迁阈值很低，容易实现粒子束反转，产生 激光振荡， n d 3 + 从能级4 乞，2 向4 k 跃迁时，激光器为三能级激光系统，室温下基态 能级上的热粒子数较多，较难实现粒子束反转，激光产生阈值很高，可通过降低温度减 少基态能级上的热粒子数，产生激光振荡。 在室温条件下，n d ：y a g 激光器在1 0 6 4 n m 处的受激发射截面最大，通常只产生 1 0 6 4 n m 的激光振荡，如果在该谐振腔中插入标准具、色散棱镜，或者采用镀有高度选 择性介质膜的反射镜，抑制不需要的波长的激光振荡，就可以产生合适的波长跃迁，科 学家们已经在n d ：y a g 中产生了2 0 多种跃迁，表2 2 t 3 s l 给出了n d ：y a g 激光器产生 的主要室温跃迁 表2 2n d ：y a g 中主要的室温跃迁 波长g m ( 在空气中)跃迁相对性能 1 0 5 2 0 54 6 r 2 哼k 1 0 6 1 5 29 2 蜀一k 1 0 6 4 1 41 0 0 马一e 1 0 1 6 4 6= 5 0 焉专艺 1 0 7 3 86 5 墨一墨 1 2 西北大学硕士学位论文 1 0 7 8 03 4 墨专瓦 1 1 0 5 49 坞一e 1 1 1 2 14 9 心一虼 1 1 1 5 94 6 焉哼e 1 1 2 2 6 74 0 墨专虼 1 3 1 8 83 4 恐一五 1 3 2 0 0 9 垦一t 1 3 3 3 81 3 墨专五 1 3 3 5 01 5 蜀专五 1 3 3 8 22 4 垦专五 1 3 4 1 09 垦一五 1 3 5 6 41 4 墨一五 1 4 1 4 0l 是一五 1 4 4 4 00 2 马专蜀 2 1