（光学专业论文）ld端面泵浦nd：yvo4cr4yag被动调q锁模的实验研究.pdf

山东师范大学硕士毕业论文 独创声明 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，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。 学位论文作者签名：纠i 挈兰| 一 导师签字： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权堂撞可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后适用本授权书) 学位论文作者签名2 刳爝l 签字日期：2 0 07 年f 月1 日 导师签字： 冷 1 彻弓 签字日期：2 0 0 7 年月日 山东师范大学硕士学位论文 l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 被动调q 锁模激光器的实验研究 中文摘要 半导体( l d ) 端面泵浦全固态激光器，因其能够输出高质量的激光光束而成 为近年来研究的热点。n d ：y v 0 4 晶体是适于l d 端面泵浦的晶体之一，它的吸收 截面比较大，吸收带宽比较宽，但是因其导热性差、热效应明显，因而限制了 n d ：y v 0 4 晶体在大功率激光领域的发展，因此如何减少晶体热效应成为n d ：y v 0 4 晶体研究热点。c r 4 + ：y a g 晶体是1 9 8 8 年出现的一种新型的近红外宽带可调谐固体 激光材料，它的发射谱位于1 3 1 6m ，处于人眼的安全波段和光纤的零色散、 零损耗区内，利用c r 4 + ：y a g 作为增益介质，已先后实现了连续、脉冲泵浦下的调 q 、被动锁模、自锁模运转。因此c r 4 * ：y a g 晶体在远距离传感、光通信、光谱学、 医疗、激光技术等领域有着广泛的应用前景，成为近年来研究的热点。本文就脉 冲泵浦减少n d ：y v 0 4 晶体热效应以及n d ：y v o , d c r 4 + ：y a g 被动调q 锁摸进行了理 论和实验研究。本文的内容主要分为四部分：( 1 ) 导论；( 2 ) n d ：y v o d c r 4 + ：y a g 被动调q 及被动调q 锁模理论；( 3 ) 连续l d 泵浦n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 被动调q 及被动调q 锁模的实验研究：( 4 ) 脉冲l d 泵浦n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 被动调q 锁 模的实验研究。 ( 1 ) 介绍了全固态激光器的发展；通过比较给出了l d 端面泵浦全固态激光 器的特点：简单介绍了调q 的研究概况和原理；就锁模的几种方式及其原理进行 了介绍。 ( 2 ) 对c ，：y a g 晶体的主要特点进行了介绍；进行了简单的c ，：y a g 被动 调q 理论研究；对被动锁模的涨落理论( 或称为起伏模型) 以及被动锁模过程中 的基本物理过程进行了简介，并就被动锁模激光器的第二闽值以及利用c r ：y a g 晶体进行被动锁模过程中激光晶体的自聚焦作用进行说明；介绍了c r 4 + ：y a g 晶体 的性质；详细介绍了其饱和吸收特性，并从速率方程出发分析了c r 4 + ：y a g 运转在 调q 、锁模的条件，给出了第二激发态的饱和光强的数值大小，为实验研究打下 基础；由a b c d 矩阵，计算出连续光泵浦时不同泵浦功率下的谐振腔的稳定区， 理论上计算出连续光泵浦时，不同腔长c r 4 + ：y a g 上光斑半径随泵浦功率的变化， 不同泵浦功率光斑半径随腔长的变化：同时计算出泵浦功率为8 5 w 时，不同占空 山东师范大学硕士毕业论文 2 比时的谐振腔的稳定区，占空比i ：5 时，c r 4 + ：y a g 上的光斑半径随泵浦功率的变 化。 ( 3 ) 进行了连续l d 泵浦n d ：y v o , d c r 4 + ：y a g 被动调q 以及被动调q 锁模实 验研究，得到在不同的腔长及不同泵浦功率时的被动调q 锁模脉冲实验图像，就 实验结果给出了说明和分析，给出了实现被动调q 以及被动调q 锁模的实验条件， 对实现调q 锁模后峰值功率的提高进行了分析。 ( 4 ) 采用脉冲l d 泵浦方式，实现了n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 被动调q 锁模运转， 得到在不同的腔长及不同泵浦功率时的被动调q 锁模脉冲实验图像。并与连续l d 泵浦n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 被动调q 锁模实验结果进行比较，就实验结果进行了分 析；变换实验条件，对不同的谐振腔输出镜透过率和不同的c ：y a g 晶体的初始 透过率的实验结果进行了实验对比，得到了有益的结果。 关键词：全固态激光器，热效应，n d ：y v 0 4 ，c r 4 + ：y a g ，被动调q 锁模 分类号：0 4 3 7 山东师范大学硕士学位论文 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so fp a s s i v eq s w i t c h e da n d m o d e 1 0 c k e dn d ：y v 0 4 a n dc r 4 + ：y a gl a s e rb yl dp u m p e d a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，ad i o d e e n d p u m p e ds o l i d s t a t el a s e rw i t hh i g he f f i c i e n c ya t t r a c t l o t so f i n t e r e s t s t h en d ：y v 0 4e r y s t a lw a si d e n t i f i e da sap r o m i s i n gg a i nm e d i u mo f t h e d i o d e - e n d p u m p e ds o l i d - s t a t e l a s e rb e c a u s eo fi t sm a n ya d v a n t a g e ss u c hah i 【g h a b s o r p t i o no v a * a aw i d ep u m p - w a v e l e n g t hb a n d w i d t h al a r g ee f f i c i e n ts t i m u l a t e d e m i s s i o nc r o s s s e c t i o n h o w e v e rt h ec a p a b i l i t yo f h e a te x c h a n g ei sb a d ，s ot h ei n f l u e n c e o ft h e r m a le f f e c ti so b v i o u s s ot h ed e v e l o p m e n to ft h en d ：y v 0 4c r y s t a li sl i m i t e di n t h eh i g hp o w e rf i e l d 。h o wt or e d u c et h et h e r m a le f f e c to fc r y s t a li st h eh o tt o p i co f n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a gc r y s t a lw a si n v e n t e di n1 9 8 8 i ti san e wt y p el a s e rc r y s t a li nn e a r i n f r a r e dm y i t se m i s s i o nr a n g ei sb e t w e e n1 3 - 1 6m c r 4 + ：y a gc r y s t a lh a sg o o d c a p a b i l i t yo fh e a te x c h a n g e , s t e a d yp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i tc a ng e n e r a t e p a s s i v eq s w i t c h i n g , p a s s i v em o d e - l o c k i n g ，s e l fm o d e l o c k i n gb yc o n t i n u o u so rp u l s e d p u m p e d c r 4 + ：y a gc r y s t a li sa t t r a c t i v ei nl i g h tc o m m u n i c a t i o n s ，m e d i c a la p p l i c a t i o n s ， l a s e rt e c h n o l o g yf i e l d t h ec o n t e n t sc a i lb eo u t l i n e da sf o l l o w s ：( 1 ) i n t r o d u c t i o n ( 2 ) t h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c h e so ft h ep a s s i v eq s w i t c h i n ga n dp a s s i v em o d e - l o c k i n go f n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a q ( 3 ) m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s o fp a s s i v eq - s w i s h e da n d m o d e - l o c k e dn d i 丫v 0 4 a n dc r 舯 y a gs o l i d - s t a t el a s e r sb yc o n t i n u o u s - w a v ep u m p e d ( 4 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so f p a s s i v eq - s w i t c h e da n dm o d e - l o c k e dn d ：y v 0 4 a n d c r + ：y a gs o l i d s t a t el a s e r sb yp u l s ep u m p e d ( 1 ) 1 h eh i s t o r ya n dp r o g r e s so fd i o d e - p u m p e ds o l i d - s t a t ei 躐r sa r er e v i e w e d ；a n d t h ec h a r a c t e r so ft h ed i o d e - c n d - p u m p e ds o l i d s t a t el a s e ra r ep r e s e n t e d ；t h er e s e a r c h p r o g r e s so fq - s w i t c ha n dt h et h e o r yo fq s w i t c hi si n t r o d u c e d t h e ns e v e r a lw a y so f m o d e - l o c k i n ga n dt h et h e o r yo fm o d e - l o c k i n gi si n t r o d u c e d ( 2 ) t h et h e o r yo fc r 4 + ：y a gm o d e l o c k i n gi si n t r o d u c e d t h e ni n t r o d u c i n gt h e c h a r a c t e r so fc r “：y a gc r y s t a l ；b a s e do nt h es p e e d - r a t ee q u a t i o n s ，t h ec o n d i t i o no f c r 4 + ：y a gw h e ni to p e r a t ea tq - s w i t c ha n dm o d e l o c k i n g u s i n ga b c dm a t r i x ，t h e s t a b l ea r e ao fc a v i t yi nd i f f e r e n tp u m p i n gp o w e rw h e nc o n t i o u s - w a v ei so b t a i n e d i n t h e o r y , t h ec h a n g eo fr a d i u so ft h eb e a mo nc r 4 + ：y a gw i t hd i f f e r e n tr e s o n a n c ec a v i t y l e n g t hi sc a l c u l a t e d w h e nt h ep u m p i n gp o w e ri s8 5 w ：t h es t a b l e a r e ao fc a v i t yi s 3 山东师范大学硕士毕业论文 c a l c u l a t e di nd i f f e r e n td u t yc y c l e s a n dw h e nt h ed u t yc y c l ei s1 ：5 ，t h ec h a n g eo fr a d i u s o f b e a mo nc r 4 + ：y a gi sc a l c u l a t e d ( 3 ) w h e nc wp u m p e da n dp u l s ep u m p e d ，t h ee x p e r i m e n tp i c t u r e sa l es h o w n a b o u t d i f f e r e n tc a v i t yl e n g t h sa n dd u t yc y c l e s t h e nw ee x p l a i nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h e e x p e r i m e n tc o n d i t i o no fq - s w i t c ha n dm o d e - l o c k i n gi sg i v e n a n dh o wt oi n c r e a s et h e p e a kp o w e r i sa n a l y s e ( 4 ) b yp u l s ep u m p e d ，n d ：y v o d c r 4 + ：y a gp a s s i v em o d e - l o c k i n ga n dq s w i t c hi s o b t a i n e d t h ee x p e r i m e n tp i c t u r e sa l eo b t a i n e da b o u td i f f e r e n tc a v i t yl e n g t h sa n d d i f f e r e n tp u m p i n gp o w e r c o m p a r e dhw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u h a n a l y s i n gt h e e x p e r i m e n tr e s u l t c h a n g i n gt h ec o n d i t o no fe x p e r i m e n t ，t h ee x p e r m e n t a lr e s u l to f c r 4 + ：y a gw i t hd i f f e r e n tr e s o n a n c ec a v i t yl e n g t ha n dti sc o m p a r e d t h er e s e a r c hr e s u l t i su s e f u l 4 k e yw o r d s ：a l l s o l i d s t a t el a s e r , t h e r m a le f f e c t , n d ：y v 0 4 ，c r 4 + ：y a g , q s w i t c h e d a n dm o d e 1 0 c k e d c l cn u m b e r ：0 4 3 7 山东师范大学硕士学位论文 第一章导论 激光技术与原子能、半导体及计算机并称为二十世纪的四项重大发明。1 9 1 6 年爱因斯坦发表的关于受激辐射的量子理论为激光的产生奠定了基础【l j ，使人们寻 找这种更亮、更强、更集中的光成为可能。1 9 5 4 年，美国贝尔实验室的汤斯( c h a r l e s h a r d t o w n e s ) 1 2 j 和前苏联的普罗霍罗夫( a l e k s a n d rm i l d a f i l o v i e hp r o k h o r o v ) 、巴索 夫( n i e o l a yg e n n a d i y e v i c hb a s o v ) 例分别使氨分子束实现了粒子数反转，从而观 察到微波的受激发射。1 9 5 6 年，布隆伯根( n i c o l a a sb l o e m b e r g e n ) 提出利用光泵 浦三能级原子系统实现粒子束反转分布的新构思【4 l 。1 9 5 8 年，肖洛( a r t h u rl s e h a w l o w ) 与汤斯提出了利用法布里一珀罗干涉仪作为腔体实现光的受激发射的 激光器的设想【s 】：同年，前苏联莫斯科的普罗霍罗夫嘲也独立地提出了相同的观点。 1 9 6 0 年，美国休斯公司实验室的梅曼( t h e o d o r eh a r o l dm a i m a a ) 用红宝石作为激 光工作物质，成功的研制出了世界上第一台激光器【7 1 。此后，激光技术得到了飞速 的发展，泵浦光源从最初的闪光灯发展到现在的半导体激光器，激光工作物质从 最初的红宝石拓展到现在的n d ：y a g ，n d ：y v 0 4 ，n d ：y l f 等上千种。如果配合非 线性光学频率变换技术，激光波长已经可以覆盖从o 2 1 a r a 到5 p m 的宽波段。高亮 度、单色性和方向性好等优点，使得激光在科学研究、通讯、国防、娱乐文化、 工业生产等领域内的应用日益广泛和深入。目前，全球范围内的激光产业已经基 本形成，激光已经逐渐成为人们日常生活、生产活动中的重要工具。 1 1 全固态激光器的发展 二十世纪六十年代是全固态激光器的萌芽时期。第一个提出全固态激光器设 想的是n e w m a n ，1 9 6 3 年他用g a a s 二极管8 8 0 r i m 附近的辐射去泵浦i s d ：c a w 0 4 ， 得到了1 0 6 p m 的荧光输出嘲。继而，美国m i t 林肯实验室在1 9 6 4 年，展示了第 一台激光二极管泵浦的固体激光器，这台d p l 以g a a s 二极管为泵涌源，工作物 质为g a f 2 ：u 3 + ，在2 6 1 3 1 a m 波长运转，整个装置在液氦中冷却至4 k 【9 j 。1 9 6 8 年， 麦道宇航公司的r o s s 实现了第一台用g a a sl d ( 8 6 7 n m ) 泵浦的n d ：y a g 激光器， 但l d 必须冷却到1 7 0 k ，以实现波长匹配i 。科学家们在这一时期已经预见到了 半导体激光器代替闪光灯泵浦固体激光材料所能带来的潜在的优点，但当时生长 的半导体激光器常温下发射的谱线不能与增益材料的吸收峰相一致，需要冷却到 山东师范大学硕士毕业论文 很低的温度才能与增益材料的吸收峰匹配，且输出功率很低。半导体生长工艺的 落后限制了全固态激光器的早期发展。 在接下来的二十世纪七十年代到八十年代中期，全固态激光器处于缓慢发展 时期。1 9 7 1 年，q s t e r m e y e r l l l l 报道了在室温下用g a a s pl e d 阵列泵浦的n d ：y a g 激光器，获得了1 4m w 的1 0 6 肛m 激光输出。1 9 7 2 年，d a n i e l m e y e r 1 2 l 首次用半导 体激光器作为泵浦源实现了全固态n d ：y a o 激光器的室温运转。1 9 7 3 年， r o s e l l k 均n t z i l 3 1 首次报导了能够在室温下以脉冲方式工作的半导体端面泵浦的全固 态激光器。1 9 7 5 年，r i c e 等人l 4 1 也对端面泵浦的全固态激光器进行了研究，并用 短脉冲输出的半导体激光器作为泵浦源首次实现了全固态激光器的准连续运转。 1 9 7 8 年，b e l l 实验室的s t o n e 和b u r r u s 幅】首先报道了单晶光纤激光器，其光纤芯 径为3 5 i _ t m ，长度为l e m ，这种半导体泵浦的波导激光器可作为光纤中继放大器。 这一时期，由于半导体生长工艺仍然没有突破，半导体泵浦源的低功率、低转换 效率、大光束发散角、单色性差、激光输出波长单调、室温下发射谱线与增益材 料的吸收峰难以实现匹配等缺点仍然是阻碍全固态激光器发展的最重要原因。全 固态激光器最高输出功率只有几十毫瓦，在输出功率等各方面性能上都无法与灯 泵浦或其他激励方式泵浦的激光器相比，这种状态持续到八十年代中期。 八十年代后期以来，随着高效高功率l d 和l d 阵列的发展，全固态激光器的 发展缓慢的状态被打破，进入蓬勃发展期。人们吸收了半导体物理发展的最新成 果，采用了量子阱( q w ) 和应变量子阱( s l - q w ) 等新结构，引进了折射率调制b r a g g 发射器以及增强调制b r a g g 发射器最新技术，同时还发展了分子束外延( m b e ) 、 化学气相沉积( m o c v d ) 及化学束外延( c b e ) 等晶体生长技术新工艺，新的生 长工艺能够精确地控制晶体生长，把有源层控制在数十纳米以下，达到原子层厚 度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。这样制作出的半导体激光器， 其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明 显加长。通过使用不同的半导体材料，半导体激光器的输出波长也得到了极大的 拓展，其输出波长已经能够覆盖o 6 t u n 至1 3 1 m a 很宽的波长范围，这极大的拓宽 了全固态激光器工作物质的选择范围。1 9 8 3 年，单管半导体激光器的输出功率达 到了1 0 0 r o w 。1 9 8 8 年，单管条宽为1 0 0 1 a n 的半导体激光器的最大连续输出功率 达到了3 7 w 。1 9 8 9 年，美国s d l 公司研制出长度为l c m 高功率半导体激光器线 阵，其最高连续输出功率可达7 6 w ，转换效率达3 9 ；在1 9 9 2 年的c l e o 会议上， 6 山东师范大学硕士学位论文 美国s d l 公司报道，其l c m 长的半导体激光器线阵已经可以实现1 2 l w 连续激光 输出，并达到4 5 的效率。同年，美国麦道公司为其钕玻璃板条激光器制造了一 个很大的半导体激光器泵浦源，其阵列组件包含6 5 0 0 个半导体激光器，输出激光 峰值功率达3 5 0 k w 。1 9 9 3 年。美国的l l n l 实验室使用微通道强迫水冷方法来冷 却高功率半导体激光器阵列，成功地将连续激光输出功率提高到1 0 0 0 w 。在随后 的十年内，半导体生长工艺每隔一年半就会出现重大的技术进步，半导体激光器 的输出功率也随之迅速提高。目前，单管半导体激光器的最大连续输出功率已经 超过8 0 w ，准连续运转的单管半导体激光器的输出功率也达到1 5 0 w 以上。从输 出功率为4 0 w 的单管半导体激光器到输出功率超过3 k w 的半导体激光器阵列都已 经实现商品化，光纤耦合输出半导体激光器的输出功率已经突破2 0 0 0 w 。而且， 随着半导体生长工艺的提高，其价格也迅速下降，1 9 8 8 年，半导体激光器每瓦的 价格高达上千美元，而现在连续输出功率为4 0 w 的单管半导体激光器的价格仅仅 几百美元。 1 2 调q 技术的概况 由于脉冲激光具有持续时间短、峰值功率高的特点，所以在激光发明之后脉 冲激光器就立刻引起了人们的关注。采用调q 技术可以实现短脉冲激光的输出，这 种短脉冲激光在测距、通信系统、远程传感、高速全息照相、军事、医疗等方面 得到广泛应用 1 6 , 1 7 1 。 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 u w a r t h 和m e c l i n g 1 8 , 1 9 1 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：在泵浦激励剐刚开始时， 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，消耗掉上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。 调q 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 间的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 7 山东师范大学硕士毕业论文 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 组建强烈的非线 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【2 q 2 】： l 、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。由于它对高能量激光器的开关能力较差，一般只能用 子低增益的激光器上。 2 、电光调q 。某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体 的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化的现象称为 光电效应。其中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应，折射率的变 化和电场强度平方成正比的效应成为克尔效应。电光调q 就是利用晶体的普克尔 效应来实现q 值突变的方法。电光调q 属于快开关类型，它能产生窄脉冲，且同 步性能好，使用寿命长，输出巨脉冲稳定。其主要缺点是半波电压较高，需要几 千伏的高压脉冲，对其它的电子线路易造成千扰。 。 “ 。3 、可饱和吸收体调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 ，有机染料是一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。此种开关属于被动式的快开关类型， 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 组件，如 c r 4 + ：y a g 晶体、g a a s 芯片以及近几年刚刚兴起的调q 用半导体可饱和吸收镜( s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e rm i r r o r , 简称s e s a m ) 【2 2 j 。 4 、腔倒空技术。在激光腔的两端使用1 0 0 反射镜对激光器进行q 开关转换， 在循环功率的峰值时，迅速把输出镜的反射率从1 0 0 降为0 ，这就导致所有的光 能从腔内迅速倒出腔外，即腔倒空技术。这种技术的优点之一是，产生的q 开关 的脉宽主要是振荡器腔长的函数，而不是激光介质增益特性的函数。确切地说， 半功率点的激光脉宽等于腔内的往返渡越时间，其条件是所用的q 开关是在相同 的时间周期内开关。因此，基于容许的腔尺寸，其脉宽可能在2 5 n s 的范围。如 果振荡器在一般的q 开关方式下运转，其脉宽要在1 2 0 n s 量级。 8 山东师范大学硕士学位论文 应用调q 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q 激光器的峰值功率只有6 0 0 千瓦，以后几年里输出功率直线上升，几乎 每年增加一个数量级。目前，人们已经获得了峰值功率为兆瓦级、最小脉宽为皮 秒量级的脉冲输出f 2 2 ，2 3 , 2 4 1 。 1 3 锁模技术的概况 相对调q 而言，锁模技术可以获得脉宽更窄、峰值功率更高的超短脉冲。超 短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观 世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。 锁模技术一般可分为：被动锁模、主动锁模、主被动锁模、自锁模等。 一，被动锁模 被动锁模是最早发展起来的一种锁模技术。最早的被动锁模是利用染料的非 线性吸收特性，将无规则的噪声脉冲鉴别并发展为锁模脉冲用这种方式很容易实 现被动锁模，并且激光器结构简单，其缺点是需要经常更换染料，并且有机染料在 闪光灯紫外线( u v ) 下降解，逐渐分解并且有毒，输出的脉冲序列的脉宽有所差 别，包络线形状也不一致，锁模几率不能达到百分之百等并且染料的恢复时间较 长，不容易获得超短脉冲。因此，用固体器件替代染料成为大势所趋。为了抛弃 有机染料，科学家们做了大量的研究工作，最终采用半导体可饱和吸收体实现被 动锁模， 对可饱和吸收体锁模来说，当激光脉冲比较弱时，损耗比较大：而当激光脉 冲强度较高时，可饱和吸收体将会被漂白，使得对激光的吸收减少，此时增益大 于损耗，得到锁模脉冲输出。要求可饱和吸收体的上能级寿命较短( 一般应在p s 量级) 。半导体可饱和吸收镜( s em i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e rm i r r o r , 简称s e s a m ) 是这一类型的代表。1 9 9 2 年u k e l l e r l 2 5 1 等人首次实现t n d ：y l f 自启动的s e s a m 被 动锁模。与主动锁模和染料被动锁模激光器相比，s e s a m 被动锁模激光器具有结 构简单，稳定可靠，光束质量好等特点。因此，自1 9 9 2 年半导体可饱和吸收镜 ( s e s a m ) 发明以来 2 6 , 2 7 1 ，s e s a m 在飞秒和皮秒锁模激光器中获得了蓬勃发展和 广泛应用。当前全固态高平均功率皮秒被动锁模激光器在工业，医疗，材料加工， 科学研究，非线性频率变换等方面有着广泛的用途【2 8 芦翊。 c r 4 + ：y a g 晶体由于具有强烈的激发态吸收特性，也可以作为锁模器件p 2 1 ， 9 山东师范大学硕士毕业论文 近年来得到广泛的关注和研究。y u n g f uc h e n 等在2 0 0 1 年利用半导体激光器泵浦 n d ：y v 0 4 晶体，获得脉宽为1 1 0 1 s o p s ，峰值功率达1 0 0 k w 的调q 锁模脉冲激 光输出。s en g 等在2 0 0 5 年利用半导体激光器泵浦n d ：g d v 0 4 晶体，获得脉宽为 l p s 的调q 锁模脉冲激光输出。 目前，以s e s a m 、c r 4 + ：y a g 晶体为代表的被动锁模技术有了突飞猛进的发展， 主要体现在以下几个方面： 1 、追求更窄的脉宽。随着对超短脉冲的日益需求，人们不断改进锁模方式， 改善谐振腔结构，获得的脉宽越来越窄。1 9 9 7 年。o k o p f t 3 3 】等利用两个半导体 激光器分别从晶体的两个端面泵浦c r ：l i s a f 晶体，利用s e s a m 实现了被动锁 模，当泵浦功率为0 5 w 时，脉宽为4 5 f s 。 2 、提高输出功率。以n d ：y a g 为增益介质，用s e s a m 锁模的输出功率已达 到2 7 w p 4 1 。 3 、不断扩展波长范围。实现锁模的激光增益介质已有多种，如n d ：y v o , ， n d ：y a g ，y b ：y a g ，c r ：l i s a f ，n d ：g l a s s ，n d ：y l f 等，它们提供了多种波长范围。 随着新的波长调谐的固体激光介质的研究开发以及波长转换技术的应用，各种波 段的超短脉冲激光将不断得以实现。 4 、向全固化和小型化发展。这主要是由于采用半导体激光器作为泵浦源，它 具有其它泵浦方式不可比拟的优点：体积小，效率高，寿命长，波长能同特定的 增益介质吸收波长相匹配。利用它作为泵浦源，可以做成全固化，体积小，效率 高，成本低，稳定可靠，实用性强的超短脉冲激光器。 二、主动锁模 一 主动锁模又称为内调制锁模。这种技术是在激光腔内插入一个调制器，该调 制器有独立的电路驱动，其调制频率应精确等于纵模间隔。这样可以得到重复频 率为f = c 2 l 的锁模脉冲序列 主动锁模又可分为：振幅调制( a m ) 锁模、相位调制( f m ) 锁模 ( 1 ) 振幅调制锁模 调制激光工作物质的增益或腔内损耗，均可使激光振幅得到调制，如果调制 频率f = c 2 l c j 葙频率q = 丌c l ) ，即可实现锁模。 ( 2 ) 相位调制锁模 相位调制又称频率调制。在激光器谐振腔内插入一电光晶体，利用晶体折射 1 0 山东师范大学硕士学位论文 率印随外加电压的变化，产生相位调制。相位调制函数和振荡角频率分别为： j ( f ) = 屯c o s c 2 t ( 1 3 1 ) 国= 一吃s i l l q( 1 3 - 2 ) ( 1 3 1 ) 、( 1 3 - 2 ) 式表明，除了在相位调制函数极值时通过调制器的那部分 光信号不产生频移外，其他时刻通过调制器的光信号均经受不同程度的频移。如 果调制相位的周期与光在腔内运行的周期一致，则经受频移的光信号每经过调制 器一次都要再次经受频移，最后因移出增益曲线以外而淬灭。只有那些在相位调 制函数极值对通过的光信号才能形成振荡，因而产生超短脉冲序列。 相位调制的光波和振幅调制光波类似，也存在一系列边带，相位调制时纵模锁 定的物理机制与振幅调制时类似。 三、主被动锁模 主被动锁模就是将主动锁模与被动锁模相结合的方法来进行锁模。这种锁模 的优势就在于，它将主、被动锁模的许多优点结合到一起，输出的脉冲更稳定， 转换效率更高。利用c r 4 + ：y a g 晶体作为可饱和吸收体和声、电光调制器结合起来 作为主动锁模元件，来进行主被动锁模，已经得到了很好的实验结果。 四、自锁模 自锁模是不需外加主动或被动调制元件，仅依靠激活介质自身的非线性效应 产生振荡光束的强度调制，相位锁定，从而产生超短脉冲的锁模技术。目前普遍 认为自锁模的物理机制与晶体的非线性效应，特别是k e r r 透镜效应有关，所以应 称为k e r r 透镜锁模( k l m ) 。2 0 0 0 年，s u e m u r a t 3 s l 等用两个功率分别为5 0 0 m w ， 3 5 0 m w 的半导体激光器泵浦c r ：l i s a f 晶体两端面。在进一步改进腔内色散补偿 的条件下，获得了l o f s 的自锁模脉冲。这是目前半导体泵浦的自锁模固体激光器 达到的最短脉宽。 五、调q 锁模i 弘, 3 7 1 调q 和锁模技术都可以获得短脉冲和高峰值功率的激光输出，为了获得更高 的峰值功率可以将两者结合使用。连续锁模和调q 锁模的示意图如图1 1 所示： 山东师范大学硬士毕业论文 图1 1 连续锁模与调q 锁模波形示意图 在调q 锁模的情况下，锁模的脉冲又被压缩在调q 的包络里面，这样输出的 激光脉冲的峰值功率就获得了很大的提高。调q 锁模的脉冲可以在激光腔中采用 分离的调q 器件和锁模器件来获得，但也可以通过一个器件来获得。 1 4 本论文的主要工作 本文主要针对l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 被动调q 锁模的进行了一系列 实验研究。主要做了以下工作： l 、对c r 4 + ：y a g 被动调q 理论进行了研究；从速率方程出发分析了c r 4 + ：y a g 运转在调q 、锁模的条件，给出了第二激发态的饱和光强的数值大小。为实验研 究打下基础：由a b c d 矩阵，计算出连续光泵浦时不同泵浦功率下的谐振腔的稳 定区，理论上计算出连续光泵浦时，不同腔长c r 4 + ：y a g 上光斑半径随泵浦功率的 变化，不同泵浦功率光斑半径随腔长的变化 2 、进行了连续l d 泵浦n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 被动调q 以及被动调q 锁模实验 研究，得到在不同的腔长及不同泵浦功率时的被动调q 锁模脉冲实验图像，对实 现调q 锁模后峰值功率的提高进行了分析。 3 、采用脉冲l d 泵浦方式，实现了n d ：y v 0 4 c r 4 + ：y a g 被动调q 锁模运转， 得到在不同的腔长及不同泵浦功率时的被动调q 锁模脉冲实验图像，并与连续l d 泵浦n d ：y v 0 4 c r 舢：y a g 被动调q 锁模实验结果进行比较；变换实验条件，对不 同的谐振腔输出镜透过率和不同的c ，：y a g 晶体的初始透过率的实验结果进行了 实验对比。 1 2 山东师范大学硕士学位论文 第二章n d ：y v 0 4 c d + ：y a g 被动调q 及被动调q 锁模理论 调q 和锁模技术是获得短脉冲和高蜂值功率激光输出的两种手段，为了获得 更高的峰值功率可以将两者结合使用。本章我们首先给出了被动锁模的基本理论， 然后介绍了c r 4 + ：y a g 晶体的基本性质以及产生被动调q 和被动锁模的条件，最后 根据c r 4 + ：y a g 晶体的可饱和吸收特性给出了c r 4 + ：y a g 被动调q 锁模的基本理论 设计。 2 1 被动锁模理论简介 一、涨落理论 涨落理论【3 8 1 ( 或称为起伏模型) 是研究被动锁模过程最为成功的理论，该模型 最先由l e t o k h o v 和f l e c k 分别于1 9 6 8 年提出，后经k r y l l k o v 、l e t l d a o v 、h a u s h e r r 等人完善。涨落理论的基本思想是：初始脉冲的不规则起伏经过一系列非线性过 程，最强的脉冲得到选择加强，丽背景脉冲逐渐地被抑制掉，物理过程大致可分 为四个阶段1 3 9 1 ： 1 自发辐射阶段。激光器内的增益低于振荡闽值，腔内仅存在不规则起伏的 荧光。在这个阶段的终点，激光器增益系数将增大到阈值振荡条件： g = g o = k o + 口 ( 2 1 1 ) 式中k o 是可饱和吸收体未被漂白时的吸收系数，口是共振腔的光学损耗。 2 线性放大阶段。激光增益超过腔内光学损耗，即增益高于激光器振荡阈值， 光强获得线性放大，直到它的强度足以开始使饱和吸收体漂白，变成透明介质。 此时，光辐射强度分布开始出现以共振腔周期t 为周期的结构。 由于激光工作物质荧光带宽比较宽，起始时会激励大量的纵模，这些模的振幅 和相位是时间的无规则函数。这些模之间产生干涉，使辐射强度发生起伏。 在这个线性放大期间，工作物质的增益带宽变窄，使得起伏脉冲持续时间延长。 3 非线性吸收阶段。工作物质的增益虽然是线性的，但由于此时腔内光强已 超过可饱和吸收体的饱和光强，因此饱和吸收体进入非线性吸收阶段。较强的脉 冲“漂白”了可饱和吸收体，由于腔内增益介质的放大作用，脉冲强度得到快速增长， 而大量的小能量脉冲受到可饱和吸收体较大的吸收而被有效的抑制掉了，这样就 使得发射脉冲变窄而同时频谱得到加宽。 山东师范大学硕士毕业论文 4 非线性放大阶段。当吸收跃迁完全饱和，光强己足够高时，激光经过激活 介质的放大是非线性的，这使得背景小脉冲几乎被完全抑制掉，输出的是一个高 强度的脉冲序列。最终粒子数反转被倒空，脉冲强度逐渐衰减掉。非线性放大加 宽了谱线，并在时间域内压窄了脉宽。 被动锁模的实现是可饱和吸收体饱和及增益饱和共同作用的结果。二者间的相 对时间关系对锁模脉冲的形成有重要影响，而可饱和吸收体与增益介质中的光束 截面比是决定因素。当增益介质中的光束截面远大于可饱和吸收体中的光束截面 时，只出现自由振荡丽不出现锁模脉冲序列，此时增益饱和先于强的脉冲使可饱 和吸收体“漂白”；当可饱和吸收体饱和先于增益饱和时，虽然仍有锁模脉冲序列， 但同时伴有许多子脉冲出现。 二、被动锁模的基本物理过程 在用泵源泵浦激光工作物质的初始阶段，由于可饱和吸收体的吸收作用，腔内 损耗很大，振荡阈值很高，激光工作物质处于储能阶段，随粒子反转数积累的越 来越多，自发辐射增强，腔内便会形成一些随机起伏的噪声光辐射，其中必存在 最大的尖蜂脉冲，使饱和吸收体饱和。定义f 。= i a v ，a y 为激光工作物质振荡 纵模的谱线宽度。 、 1 若饱和吸收体的弛豫时间r f 。，当可饱和吸收体一旦饱和，“开关”被完全 打开，不仅最大的尖峰在腔内畅通无阻，而且尾随最大尖峰脉冲的起伏光辐射也 能无损耗地