（光学专业论文）ld泵浦紧凑型全固态固体激光器的研究.pdf

ab s t r a c t d i o d e - p u m p e d p a s s i v e l y q - s w i t c h e d l a s e r i s a f u l l s o li d s t a t e l a s e r , w h i c h c o u l d r e a l iz e t h e o u t p u t l a s e r o n t h e l e v e l o f t h e e x t r e m e l y s h o r t p i c o - n a n o s e c o n d p u l s e w i d t h , h i g h p e a k p o w e r u p t o k w , a n d p u l s e r e p e t i t i o n r a t e o f t h e m a g n i t u d e o f k h z . t h i s k i n d o f l a s e r i s e ff i c i e n t , c o m p a c t , s t a b l e , l o n g l i f e a n d s o o n o n , w h i c h c o u l d b e u s e d i n m a n y a p p l i c a t i o n s a s a p u l s e d li g h t s o u r ce ， i n s u c h a s l a s e r r a d a r , s h i p s n a v i g a t i o n ，r o b o t v i s i o n s y s t e m , b i o m e d i c i n e , t i n y p r o ces s i n g , e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g , h a s t h e i m p o r ta n t l a t e n t a p p l i c a t i o n v a l u e . d u r in g t h e s o l u t io n p r o ce s s o f t h e r a t e e q u a t io n s o f c r 4 + d o p e d p a s s iv e q - s w i t c h e d l a s e r s , m a n y p a r a m e t e r s o f r e s o n a n ce c a v i t y a n d s a t u r a b l e a b s o r b e r a r e i n t e g r a t e d i n t o t w o s y n t h e s i s p a r a m e t e r s . t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e e n e r g y , p e a k p o w e r a n d d u r a t i o n o f q - s w i t c h e d l a s e r p u l s e s w it h th e s y n t h e s i s p a r a m e t e r s a r e c a l c u l a t e d . t h e e x p e r i m e n t a l s t u d y o n l d p u m p e d n d : y v 0 4 l a s e r w a s c a r r i e d o u t , s e l e c t s t h e o p t i m a l o u t p u t c o u p l e r o f t = 1 0 % . t h e e x p e r i m e n t a l s t u d y o n l d p u m p e d c r 4 + :y a g p a s s i v e ly q - s w it c h e d n d : y v 0 4 la s e r w a s c a r r ie d o u t . c o m p a r e d w it h d i ff e r e n t l y o u t p u t s m i r r o r t o a v e r a g e p o w e r , t h r e s h o l d p u m p p o w e r , p u l s e w i d t h , r a t e r e p e t it i o n a n d t h e p e a k p o w e r o f l a s e r o u t p u t i n fl u e n ce , s e e k s t o t h e o p t i m a l o u t p u t c o u p l e r o f t = 3 0 % . o b t a i n s r e s u l t t o i n d i c a t e t h e d i ff e r e n t i n i t i a l t r a n s m i s s i o n s c r 4 + :y a g c o r r e s p o n d e n c e d i ff e r e n t r e p e t it i o n r a t e , p u ls e w id t h , t h r e s h o ld p u m p p o w e r , a v e r a g e p o w e r . i n t h e p a p e r t h e e x p e r im e n t r e s u l t s w e r e a n a ly z e d a n d d i s c u s s e d a l d - p u m p e d c w n d : y v o 4 / k t p i n t r c a v i ty fr e q u e n c y d o u b l 吨 g r e e n l a s e r w a s s t u d y , o b t a i n s t h e c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y t o 1 1 .5 % a n d h a v e a n a l y z e d i t s c o n v e r s i o n e f fi c i e n c y l o w r e a s o n s ; a s w e l l a s a q - s w i t c h e d n d : y v 0 4 / k t p c a v i ty t h e fr e q u e n c y d o u b l 吨 p u l s e g r e e n l a s e r w a s s t u d y ， c o m p a r e d w i t h t 6 = 8 6 . 1 5 % a n d t o = 7 2 . 1 2 % t w o c r 4 + :y a g t o g r e e n p u l s e w i d t h a n d r e p e t it i o n fr e q u e n c y i n fl u e n ce . k e y w o r d s : l d e n d - p u m p e d ; p a s s iv e q - s w it c h in g ; n d : y v o 4 ; c r 4 + :y a g ; in t r c a v ity fr e q u e n c y d o u b l i n g n 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文;学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在 不以 赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位 论文作者签名: 年月日 经指导教师同意，木学位论文属于 保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 止椒 着 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5年 ( 最长5 年，可少于 5 年) 秘密1 0 年 ( 最 长1 0 年，可少于 1 0 年) 机密*2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名: 年月日 第一章 绪论 第一章 绪论 近年来，随着激光二极管 ( l d )的飞速发展， 激光二极管泵浦的固 体激光 器 ( 简称为全固态激光器，英文简称 d p l )由 于具有独特的优势而逐渐成为人 们关注的焦点。d p l采用的 是与固 体激光工作物质的吸收峰相匹 配的激光二极 管进行泵浦的，与传统的闪 光灯泵浦方式相比，固体激光器的效率大大地提高 了，同时也达到了 减少热效应，改善光束质量及提高稳定性的目 的。这类激光 器还具有体积小、重量轻的 特点。可以说是带来了固体激光器的一场革命，具 有逐步取代气体、液态及传统固体激光器的可能性。由 于固体激光器工作介质 覆盖的波段宽，运转方式多样，再结合各种非线性频率变换技术，这将进一步 推动激光应用技术的发展。 d p l激光器及装载在民用方面，如激光精细加工及激光医疗方面有极大的 市场潜力。而在军事应用领域， 采用8 0 8 n m大功率半导体激光器泵浦的小型化 n d : y a g ，已成为高技术战争中的重要手段，如激光测距、测速、光通信、激 光制导、激光引爆、激光雷达、激光核引爆、激光受控核聚变及激光空间应用 等诸多方面也有极广阔而重要的应用需求。 1 . 1固体激光器的发展史 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、 掺钦忆铝石榴石 ( n d : y a g ) 激光器、 掺 钦离 子 ( n d 3 + )的 玻璃激光 器 和掺钦离子 ( t i 3 ) 的 蓝宝石 激光器. 6 0 年代，红宝石 ( 1 9 6 0 ) . 钦玻璃 ( 1 9 6 1 ) 和n d : y a g ( 1 9 6 4 ) 激光器在 这一时期 相继研布 喊功。 固 体 激光单 元器件和振荡、 放大、 调q 、 锁模和选模的 技术和应用都获得相应迅速发展。 7 0年代，气体和燃料激光器迅速发展，相比 之下，固 体激光器发展相对比 较缓慢。 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，特别是以二极管抽运的固体激光器迅速发展为标志，固体激光器进入了称 之为 “ 复苏”的新的发展时期。 第一章 绪论 迄今，已实现激光振荡的固体激光器的工作物质有几百种之多，激光谱线 数千条。固体激光器具有输出能量大、输出功率高、器件结构紧凑、便于光纤 祸合、比c 0 2 气体激光器波长短、使用寿命长和单元技术成熟等优点。其主要 缺点是常规惰性气体放电灯抽运固体激光器效率低、热效应严重，限制了输出 功率进一步提高和光束质量的改善。 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 及国防军事等方面都有广泛的应用。己 用于激光打孔、焊接、切割、微调、 划片、打标、热处理、手术刀、医学诊断、激光雷达、全息摄影、激光存储、 激光测污和环境监控、遥感、水下探测、激光光谱分析、激光测距、目 标指示、 制导和惯性约束聚变等，形成了相当广阔的世界固休激光市场。 1 . 2 l d抽运的固休激光器 激光二 级管抽运的固 体激光器 ( d i o d e p u m p e d s o l i d s t a t e l a s e r ; d p s s l ) 是 用激光二级管 ( l a s e r d i o d e . l d ) 代替闪光灯去抽运固体激光介质的 激光器。 自1 9 6 0年世界第一红宝石激光器问 世以 来，固体激光器技术发展很快。 输 出功率和可靠性不断提高，目 前已 广泛应用于医学临 床、 材料加工、 测量、 通讯、 军事等领域。传统灯抽运的方法电光转化效率仅为0 . 1 - 5 %. d p s s l以l d代替 闪 光灯作为 抽运源， 大大提高了 其转化效率。 加之l d本身具有寿命长、 体积小、 转化效率高的优点，使固体激光器各项性能大为提高。 d p s s l 之所以 被认为是固体激光器的 一次革命并显示很强的生命力， 其原因 在于它综合了 半导体激光器与固体激光器的 优点。主要表现在以 下几个方面: 1 ) 提高了 系统的效率。 与闪 光灯发射谱相比， l d的发射谱较窄并 与增益介质的 吸收谱之间有很好的匹配， 从而具有可高达1 0 % 的 转化效 率。 2 ) 延长元件的寿命。 l d抽运的固 体激光器的 寿命和可靠性都优于 闪光灯抽运。 3 )实现激光器系统紧凑性、 多功能性。 l d的出现使得许多新型固 体激光器研制成功，如端面抽运系统、微芯片激光器和光纤激光器等。 4 ) 有利于新型激光材料的应用。 l d抽运的大多数激光材料也能用 于闪光灯抽运。然而许多非常有用的材料如 n d : y v 0 4 . y b : y a g和 第一章 绪论 t m: y a g等，只有在l d抽运作用下才能显示出优势。 d p s s l 的发展与 l d的发展密切相关。 1 9 6 2 年第一台 工作在低温的同 质扩散 的c a a ， 二级管问世。 1 9 6 3 年， r .n e w m a n 用8 8 0 n m c a a s 二级管抽运n d : c a wo 4 得 到1 .0 6 4 n m的 荧 光 输 出 11 . 1 9 6 4 年n u t 林 肯 实 验 室 的k e y e s 和q u is t 用l d 抽 运的u 3 + : c a f : 晶 体， 将 整 个装置 在 液 氮中 冷却 至4 k ， 实 现了2 .6 1 3 p m准 连 续 输 出 11 1 . 1 9 6 8 年麦道公司r o s s 在 1 7 0 k温度下成功使 用c a a s l d ( 8 6 7 n m ) 抽运 n d : y a g晶 体 t3 ) . 7 0 年 代f a r m e r 和k i a n g 比 较 全 面 的 研 究 了 发 光 二 极 管 的 横 向 抽 运0 . 但是直到7 0 年 代l d性能 都不高， 有源区 光 波导效应不显著， 激光 器的 阐 值高， 室温下只能以 脉冲形式工作 15 。由 于二极管的 性能限 制， 8 0 年代l d激 光器发展缓慢， 输出功率最高几十毫瓦， 性能无法与灯泵固体激光器相比。 8 0 年代出现了 量子阱和应变量子阱等新结构， 同时发展了晶 体生长的 分子束 外延间 和金属有机化学气相沉积切 等新工艺和新技术。 新的 芯片 制造工艺 把有源 层厚度控制在数十纳米以 下， 利用载流子的量子效应和梯度折射率分离约束异质 结构等新方法构成l d新结构， 解决因电流注入产生焦耳热使节温度高 、 性能差 问 题。 新结构l d的阐值电 流显 著降 低 ( 3 0 0 a / c m 以 下) s ) ， 输出 功率成倍增长， 寿 命显 著增加。随 着技术的 不断 进步，目 前l d及l d阵 列 ( l a s e r d i o d e a r r a y , l d a )商品的波长法范围己扩展到 3 6 0 3 8 0 0 n m, l d的输出功率已达几千瓦， 调q输出 达到5 0 0 m .i l9 1 . 1 . 3 l d 抽运c r y + : y a g被动调q 固 体激光器 近年 来的 研究 表明 ， 掺c r 4 + 的 各 种晶 体 材 料， 如c 产: y a g , c 产: g s g g . c 产: y s o , c r a + : y s g g和c r + : g s a g等， 在某些激光波段具有像色心一样的 可 饱和吸收 特性， 非常适合作为固 体被动调q材料。 与 传统的 可 饱和吸收 体如染 料l i f : 凡相比 较，具有开关时间快、 稳定性好、导热率高、防 潮和抗损伤能力 强、 吸收带宽大、 掺杂浓度高以 及易于控制等优点， 大大提高了 被动调q固 体激 光 器的 性能、 效率和耐用性， 也使中 小功率 被动调q 激光晶 体谐振腔体积的 减小 成 为 可能 。 其中 以 新 型 可 饱 和 吸 收 晶 体c r 4 十 : y a g作 为 被 动 调q开 关 的 研 究已 经 引 起国内 外 学 者的 极 大 关 注。 c r 0 十 : y a g 在0 .9 k m -1 .2 w m具 有 宽 的 吸 收 带 和 良 好的 可 饱 和 吸 收 特 性 ， 特 别 适 合 作1 .0 6 4 1i m掺 教 激 光 器的 被 动 调q 开 关 。 c r 4+ : y a g晶 体的 这些 优点， 使其成为 构成 全固 化、 长寿命、结 构简单的 调q激 光器 第一章 绪论 公认的最有前途可饱和吸收体q开关之一。 1 . 3 . 1 c r 气y a g 晶体简介 掺四 价 铬的 忆 铝 石 榴 石晶 体 ( c r 4 + :y a g ) 是 一 种 新 型 光 学晶 体， 它既 具 有宽 范 围( 1 .3 41 .5 8 p m ) 的 可调谐激光输出性能，又具有显著的可饱和吸收特性 ( 0 .9 - 1 .2 w m波段 范围 内 ) .目 前， 这 种晶 体作为 掺 钱 激光 器的 被 动调q开关己 受 到很大的 重视. 与 其它常 用的 掺钱激光器被动 q开关( 如有机染料、 色心晶 体) 相比， c r 十 :y a g具 有 优良 的 特性: 它的 化学性 质稳定， 没有明 显退化现象; 其 热导性能 好， 常温 下热 传导系数为0 . 1 2 w / c m k ; 有大的 损 伤阐 值， 约5 0 0 m w / c m 2 : 吸收截面大， 容易达到饱和以 及体积小、 掺杂浓度高、 寿命长、 使用方便等特点。 甚至铬离子可以 和激 活离子掺杂在同 一基质晶 体内， 构成自 调 q固 体激光器。 由 于c 产:y a g的 这 些 优点 ， 它被认为 是 构成 全固 化、 长 寿命、 简 单使 用的 调q 激光器 最 理 想的 可 饱 和吸 收 体q开关 之一【1 0 1 . 3 . 2 o r : y a g 调0 激光器的研究进展 c r 4 : y a g晶 体具有宽的吸收带和良 好的可饱和吸收特性，并且光化学性 能稳定，导热性能也很好。因此，它是高功率、高重复频率、及小型全固态激 光器的 被动调q开关的理想元件。最近几年， 在脉冲宽度、 重复频率、峰值功 率等方面都有很大的进展。 l d泵浦固 体激光技术及微片激光技术的发展， 不但 使c 产: y a g 被 动 调q 激 光 器脉冲宽 度、 重复 频 率 等 指 示 有了 很 大 提高， 而且 使器 件 更 加小 型 化。自 调q 激 光器、自 调q 微片 激 光 器 使c r 4 + : y a g 被动 调q 激光 器 进 一 步向 小 型 化 发 展。 c r 4 + : y a g 被 动 调q 激 光 器 虽 然 具 有 结 构 简 单、 重量轻、体积小、易实现器件的小型化，具有高的转换效率和脉冲重复频率等 优点，但是无法控制脉冲产生的时刻、重复频率和峰值功率，因而在一些应用 上也受到限制. 我国电 子工业第 十一研究所在八十年代首先发 现了c r 4 + : y a g晶 体的 饱和 吸收 性能 ， 并 用 于自 调q 和 被 动调q 激光 器; 进 入9 0 年 代， c 产: y a g 被动 调 q激光 器发展很快， 在重复频率、 脉冲宽 度、 峰 值功率等指标上都有很大的 提高 i l l . 1 9 9 1 年， 美国 的d .m .a n d r a u s l a s 和c .k e n n e d y 提出 ， 四 价 铬 离子掺 杂忆 铝 石榴 石( c r 4 + : y a g ) 可 作为 无驱动源即 插即 用 性( p l u g - a n d - p l a y ) 饱和吸收 被 第一章 绪论 动调q元件，不 仅具有经济实 用的 特点， 而且还 有益于半导体激光器泵 浦的固 体 激光器( d p s s ) 的小 型化 1 2 e 1 9 9 8 年， 人们就已 经发现了c r 0 + : y a g中c 产 具 有可 饱 和吸 收 特性， 但直 到1 9 9 5 年 才首次 采用了c r 4 + : y a g作为 被 动 调q 开关实 现了 对脉冲n d : y a g激光器的 调q运转。1 9 %年，欧阳 斌等实 现了 初 始 透过率在1 0 % 7 0 % 范围内 的各 种c 产: y a g晶 体 在脉 冲n d : y a g 激光器的 调q 运 转 113 2 0 0 0 年， 华 侨 大 学的 吴 逢 铁等 人 【14 用c r 4 : y a g 饱 和吸 收 体 作 调 q 元 件对n d : y a g 作了 调q 实 验， 获 得了 高能 量、 高 稳 定的 调q 脉冲. c r 4 十 : y a g的 饱 和 光 强 小， 适 合 与 连 续 激 光 被 动 调q ， 但由 于c r 4 + : y a g 晶 体生 长时 控制c r 4 离子价态变化的 特殊性， 直到1 9 %年才首次以c r 4 : y a g 实 现了 对 连 续n d : y a g激 光 器 被 动 调q运 转 15 。 然 而 一 般 来 说， 连 续 激 光 器 被动调q 受激光横模结构和纵模结构以 及激光泵浦速率起伏等主要因素的影响， 输出 稳定性较差，但采取一定措施， 被动调q可以 得到根本性改善。1 9 9 9 年刘 媛 媛 等 ( 16 1 用c r , 十 : y a g晶 体 对 连 续n d : y a g 进 行了 调q 实 验， 采 用 加 聚 焦 镜 的 办 法使 激 光 器 输出 脉宽、 频率 及 稳定 性 都 得到了 改 善。 c r 4 : y a g晶 体 在n d : y v o 4 . n d + : n a ( w 0 4 ) : 、 n d : g d v o 4 激光 器中 都实 现了 被动 调q 1 9 9 8 年， 何 京良 等 1 71 把c r 4 十 : y a g用于l d泵浦的n d : y v 0 4 连续波四 镜折叠 腔 激光 器 中 被动调q 获得脉宽4 0 k h z ， 单脉 冲能 量5 2 川， 平均功率2 . i w， 峰值功率7 4 0 w 的 激光 输出 。 2 0 0 1 年， 郑 权18 等 人 用 激光 二极 管 直 接端面 泵 浦被 动调q n d : y v 0 4 / c r 4 : y a g 激 光 器， 获 得脉宽 为1 9 .8 n s . 重复 频率为1 7 0 . 1 k h z ， 峰 值功 率 为4 0 . 9 6 w激光输出。 1 . 4 l d 抽运的c r 气 n ess y a g 徽片型固体激光器 近年来，固体激光器的一个发展方向是小型化、集成化，微片激光器的出 现使固体激光器在结构紧凑程度上有了突破性进展，其具有体积小、结构紧凑、 稳定、寿命长、全固态化、较高转换效率，且易廉价批量生产等优点。 微片激 光器的 概念最初是美国 林肯国 家实 验室j .j . z a y h o w s k i 和m o o r a d i a n 在1 9 8 9 年提 出 的 【 19 微片 激 光 器是 指谐 振 腔长 度 在m m量 级的 微小 型固 体 激光 器。 由 于在c i a 十 : y a g中 掺n d 3 十 的c r 4 + n d 3 + : y a g微片既 具有激活离 子n d 3 + 受 激 辐 射四 能 级 结 构， 又具 有c r 4 + 离 子 类 似 色心 作用的 可 饱 和吸收的 能 级 结 构， 使得这一晶 体集激光辐射作用与被动调q作用于一身， 成为一种特殊的 材料被 第一章 绪论 应 用. 在 单 掺c 产: y a g 晶 体 被 广 泛 应 用 于 被 动 调q 的 同 时 ， 双 掺的c r 4 + . n d 3 y a g 微片作自 调q 激光 器也 有报道。1 9 9 3 年s h o u h u a n z h o u 等人首次 报道 c r 4 + ,n d 3 + :y a g 微 片自 调q 激 光 器的 研究 成 果 2 0 -2 11 。 用l d 脉 冲 激 光 做 泵 浦 源， 获得了 重复 频率为5 0 0 h z 的1 . 0 6 4 1 : m脉冲激光输出。 1 9 9 9 年美国 麻省理工学院 林肯实 验室的 研究 人员 圈首次 利 用 在n d 3 + : y a g 微片 上 扩 散 连 接c r , 十 :y a g晶 体，构成组合型被动调q微片激光器。 2 0 0 0 年浙 江 大学陈 军 等 人 2 3 1用l d 两种 泵浦 形式 泵 浦c r 4 + 万 产:y a g 微片晶 体实现自 调q脉冲输出。 在连续的l d泵浦状态下， 实现自 调q达到i o k h z 以 上 的重复频率，在脉冲泵浦情况下，达到 1 k h z 几kh z的任意的可调的重复频 率。 在脉冲泵浦状态下，获得包含多个子脉冲的脉冲序激光输出，采用基电流 的矩形脉冲泵浦，获得了稳定的单脉冲输出。 2 0 0 1 年中 科院吕 兰 斌 24 1等 人 报道了n d 3 + ,c r 4 + :y a g 微 片 激光 器在1 5 时 实 现了 低闽 值准三能级9 4 6 n m激光输出。所用晶 体为掺n d 和c r 都为1 % 的 n d 3 十 ，c r 4 + :y a g ， 其 厚 度为1 .5 m m ， 晶 体一 个端 面 镀9 4 6 n m的 高 反 膜 和对8 0 8 n m 为8 0 % 透过的增透膜作为输入祸合镜， 晶体的另一端面镀对9 4 6 n m反射率为9 7 0/ a 的反射膜做为输出祸合镜。实验中保持晶体工作温度为1 5 c。在脉冲和连续两 种泵浦方式下， 观察到了 单频基模激光输出。并用k n b 0 3 晶体做腔外倍频，获 得了转换效率为1 8 %的4 7 3 n m脉冲激光输出。同年，中科院上海光机所用连续 的 钦 宝 石 激 光 泵 浦i m m 厚 的c r + ,n d 3+ :y a g晶 体， 获 得了1 .0 6 4 p m自 调q 激 光 输出 (2 5 1 小结: 本章主要回顾了全固态激光器的发展历史， 综述了l d泵浦的固态激 光器的发展现状，阐述了本论文研究的选题背景、研究目的和意义。 第二章 调q固 体激光器的 工作 原理 第二章 调 q 固休激光器的工作原理 掺c 产的 固 体 激 光 器 是 利 用c r 4 + 离 子的 可 饱 和 吸 收 特 性 进 行 被 动 调q的 ， 其调q原 理与其它被动 调q原理相通 但又 有自 身的 特点。 本章从调q的 一般原 理出 发， 在归 纳c r a + : y a g能级结构和可饱和吸收 特性的 基础上， 采用了 考虑 激 发 态吸 收 的c r 4 : y a g 被 动 调q 速 率 方 程 来 分 析 掺c r a + 被 动 调q激 光 器的 动 态特性， 在理论分析中 将影响被动调q脉冲输出 特性的诸多 参量归结为与 激光 介质、 可饱和吸收体以 及谐振腔参量有关的 两个综合参量n和 a ，并通过计算 得到输出q脉冲的峰值功率、能量和脉宽随 着两个综合参量的变化规律. 此外 还给出 连续抽运情况下被动调q激光脉冲重复频率的计算方法。 2 . 1调q 技术 压缩脉宽、增大输出功率、获得高峰值功率、短脉冲宽度的激光输出一直 是激光技术中极为关注的课题。 普通固 体激光器由 于存在驰豫振荡现象， 严重 阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。 所谓“ 驰豫振荡” 是指固体激光器在以 毫秒量级的脉冲光泵浦激励下， 激光 振荡输出并不表现为单一的光滑光脉冲，而是由一群宽度只有微秒量级的小尖 峰脉冲所组成的序列，称为 “ 尖峰序列” 。 泵浦能量的 增加只不过使小尖峰脉冲 的个数增加了，相应的尖峰脉冲序列分布的时间范围更宽了。其结果是虽然输 出激光脉冲能量增加了，但功率并未变化。 调 q技术所解决的问 题就是使上述的 驰豫振荡受到抑制，让全部激光能量 压缩在一个很短时间里释放出来， 从而形成具有很高峰值功率的巨脉冲输出， 使光源的峰值功率提高几个数量级， 大大改善了 脉冲激光器输出 性能。 在激光技术中， q表征激光谐振腔的 质量， 其定 义为 q = 2 x v e 1 p= v 1 a v = 2 y r v r a ( 2 . 1 ) 式中e 为储存在腔中该模式的总能量;p 为单位时间消耗的模式能量; v 为 谐振腔内 该模式的振荡频率; a v 为振荡模式的频宽; r r 光子在谐振腔内的平均 寿命。 执行调q功能的元件称为q开关。 调q 技术的 基本思 想就是设法 在激光泵浦开 始阶段使谐振腔的 损耗增 大， q 第 二 章调q 固 体 激 光 器的 工 作 原 理 值很低，即提高了激光器的振荡闭值，使振荡不能形成，工作物质上能级的反 转粒子数大量积累。当积累到饱和值时， 突然使谐振腔的 损耗变小， q值突增. 这时， 激光振荡迅即建立， 腔内 就像雪崩一样以 极快的速度建立起极强的振荡， 在短时间内反转粒子数被大量消耗，转变为腔内的光能量同时在激光器输出镜 端藕合输出 一个极强的 激光脉冲2 6 1 目 前调q的 方 法主 要有两类: 主动 ( 有源) 式和被动 ( 无源) 式. 主动调 q技术是 人为地采取一定的 措施利用某些物理效应来主动控制激光谐振腔的 损 耗， 从而达到q值的突变， 其中 主动式可分为转镜、 声光、电 光调q三 种。 被 动 调q中 谐振腔内 损耗的 变化与腔内 激光光强 有关， 它是通过 材料 对腔内 激光 的 吸收达到调节激光 谐振腔q 值的目 的， 被动式中 主 要有有 机染 料、 色心晶 体、 半 导 体 材 料 和c r 十 晶 体 等四 种 调q 形 式。 与 主 动 调q 相比 ， 被 动 调q 是由 腔内 激光辐射自 身启动的，因此无需外部电驱动，具有结构简单、使用和维护方便、 容易小型化等优点。 2 . 1 . 1 c r 4 + : y a g能级结构 在长激光脉冲情况下， c 产: y a g晶 体与1 0 6 4 m m 激光吸 收有关的能 级可以 简 化为如图2 . 1 所示的四能 级 系统， 主要跃迁过程为:c r 4 + : y a g基态能 级3 a 2 上的粒子被激发到激发态上能级 3 几上， 然后快速驰豫到下能级 1 e ，在一般泵 浦水平下， 粒子经过约3 . 4 p s 时 间回到3 a 2 能级， 这时， 绝 大部分铬离 子只 在3 t 2 、 1 e 与3 a 2 间 来回 跃 迁， 可以 发 生 基 态的 饱 和。 当 作 用 在c r 4 + : y a g晶 体 上的 激 光功率密度足够大时，不仅可以实现基态的吸收饱和，还可以实现激发态的吸 收饱和。激发态的吸收饱和使晶体的 饱和透明度大大提高。正是由 于第二激发 态1 a 1 的 驰豫时 间 在1s 量 级， 可以 利 用c r 4 + : y a g的 激发 态吸 收 进行 被 动锁 模 口 刀 粒子从能级2 到能级1 的跃迁时间t 2 1 称为基态恢复时间， 在室温时t 2 : 约为 3 .4 p s - -4 .5 w s ，比 调q 脉 冲 持 续 时 间 长 很 多 ， 因 此c r 4 + : y a g 属 于 慢 饱 和 吸 收 体. 能级4 到能级2 的弛豫时间 t 4 2 为5 0 p s - 1 0 0 p s ，远小于t 2 1 。 基态恢复时间 t 2 1 、 基 态 吸收 截 面 6 13 、 激 发 态吸 收 截 面 6 2 4 以 及 热导 性能 和损 伤闽 值是c r , 十 : y a g 作 为 可饱和吸收体被动q开关的重要参量。 第二章 调q固 体 激光器的 工作原理 图2 . 1 c r :y a g的四能 级结构模型 2 . 1 . 2 c r : y a g晶体的透过率 描 述 和 计算 长 激 光脉 冲和强 激光 场 激发 下c r 4 + :y a g 跃 迁吸 收的 速率 方 程 如 下所示: 2月、4 222 an / at = 一+ n 21 n s 2 = n .,0 i3 v , 一 万一 、 2 0 24v t + (. .o 一 n ,; 一 、 2 )夙 a 声 a t 式中n s i , = - a ( 0 1 3 n i + a 2 4 n 2 ) n s 2 , n s o 分别表示1 , 2 能 级上及晶 体中总的 粒子密度， 甲 ; 为 入射 光子密度， b y 为光子能量，t 和z 分别为时间和入射光传播距离。 根据以 上速率方 程可以 计算出 在连续或长脉冲( 1 .0 6 4 w m ) 激光入射下 y a g晶 体透过率t 与入射光子密度4) i 的 关系为: 一 ; -4 91, 713v42“ 一 找 1 + v ia 2 4 r n t 1 十 p i q 2 4 r 4 2)l - % ) ，c r : ( 2 . 5 ) 汤 为 可饱和吸收体的 小 信号 透过 率) 当 入 射 激光 较 弱时 ， v ,q ,3 r 4 2 5 1， 上 式 可 简 化为 基 态吸 收时 的 透过 率方 程: : = t o l 1 + p i7 24t 2lt y 1 一 闰 戈 1 + 件 肠t a e 人v 2 , 少 ( 2 . 6 ) 当 入 射激 光 较强 时 ，v ic 13 t 4 2 5 1， 即 可 简化 为 激发 态吸收 时 的 透过率 方 程: t = t , e x p .; a , 3 r 4 2 ( 1 一 t ) ( 2 . 乃 第二章 调q固体激光器的工作原理 若入射激光继续增强， 则c r : y a g晶 体趋向 于激发态吸收 饱和， 其激发态吸收 饱和时的透过率趋近于1 . 2 . 1 .3 c 产:y a g晶 体的最 大q值突 变量 q开 关突变前后的q 值阶 跃量或损 耗阶跃值是描述q开关的 重要参 数。 根 据 上节的 计 算， c r a ; :y a g q 开 关能 够 产生的 损耗 变化为 此 = t , 一 t o ( 2 . 8 ) 将 8=v,3/v24代 入 上 式 ， 则 有 :a l = ( t . ) j 0 - t o ( 2 .9 ) 按 照张行愚 等人的 实 验数 据: 吸收消光比 8 = 0 1 3 / v 2 4 = 5 .2 4 ， 而根 据s h i m o n y 等人的测量结果，8 = 4 ， 在此，我们选用8 = 5 .2 4 ，因此， a l = (t . 终 ， 一 t o . ( 2 .1 0 ) 按此式计算得到的q开关损耗阶跃量与初始透过率的 关系如图2 .2 所示: e r. : : 一 图2 .2损耗阶跃量与初始透过率的关系 可以 看出， 存在着恰当的 初始透过率t o . =， 使得q开关在饱和前后引入的 腔损耗变化量为最大l 。 为寻得使l最大的初始透过率， 对上式两边对t o 微分，并令之等于零，可求得对应最大l的初始透过率为: t om s = ; 周 ( 2 . 1 1 ) 得到最大损耗阶跃量为: 1j a - = ( t u -) 6 一 t o 二 s 1-4 一 s 1= d ( 2 . 1 2 ) 将8 = 5 . 2 4 代入分别得到t o m m= 0 . 1 2 9 和l am = 0 . 5 4 7 . 第二章 调q固 体激光器的 工 作原理 从图2 .2 可以 看出， 在t o m a a 附 近，若 l下降0 . 1 ， 对应的t o 下降到0 .0 1 或增加到0 . 3 。 因 此选取初始 透过率在1 . 8 0/ . 3 8 .7 % 这 个较宽的 范围内 的c r 4 十 :y a g 晶体q开关， 都能得到较大的损耗调制. 2 . 1 . 4 c r : y a g 被动调0 机理 根 据 前 一 节 的 论 述 ， 我 们 知 道c 产:y a g 晶 体 对1 p an 附 近 波 长的 光 有 强 烈 的吸收， 而 且随 着入射光的 增强， c 产: y a g晶 体的 透射率逐 渐增大，当 入射光 强达到某个较大的 值以 后， c r 4 + : y a g晶 体对入 射光的 吸收就 会“ 饱和” ， 从而对 入射光产生 很高的 透射率。 因 此 将c r 4 + : y a g晶 体插入 激光谐振腔中， 利用其对 腔内 激光的可饱和吸收，可以控制谐振腔内 损耗的 变化，实现被动调q a 被动调 q工作过程如下: 在抽运初期，腔内自 发荧光很弱，光子数较少， c r 4 + :y a g晶 体的 吸 收 系 数 很大， 在 腔内 引 入很 大的 损 耗， 处于 低q值 状态， 因 而不能形成激光振荡。随着抽运光的继续作用，增益介质中积累了大量反转粒 子数， 腔内 荧 光逐渐变强，晶体的 吸收系数变小， 透过率逐渐增大。设 低q值 时闽 值反转粒子数密度为n a ， 当增益介质内的反转粒子数密度超过n , ; 约1 0 % ( 达 到n . ) 时 ， 腔内 荧 光 光 强 增 大到 可与c r 4 * : y a g 晶 体 的 饱 和 吸 收 光 强i s 相比 拟， c r 4 + :y a g晶 体被“ 漂白 ” 而对腔内 激光变得透明， 这时 腔内吸收损耗迅速减小， 谐振腔的q 值猛增， 激光振荡的阐 值反转粒子数密度降 低为r la ， 而， 、 公 便成为 这个低振荡闽 值条件下的 初始反转粒子数密度w， nip.) n t2 ，于是腔内 光辐 射密度急剧增加并形成激光振荡，输出一个调q激光巨 脉冲。随后腔内 光强迅 速减弱，因而晶体重新变得不透明， 起到将腔关闭的作用，做好为产生下一个 脉冲积累粒子数的准备。 这就是一个完整的调q过程。 2 . 2 c r : y a g 被动调0 的 理论分析 被动调q激光器的 速率方程极及其数值解首先由a . s z a b o 和r a . s t e i n 给出 2 91 , j .j .d e g n a n 等 2 9 1利 用 一 般的 被 动 调q速 率 方 程 成 功 获 得了 输出 激光 脉 冲的 能量、 脉宽、 峰值功率等重要参数的解， 但是他只考虑了c r 4 十 离子的基态吸收而 未考 虑 其 激 发 态 吸 收 ( e s a ) 。 吴 念 乐 等 人 3 0 1在 考 虑了 激 发 态 吸 收 的 情 况 下， 利 用 掺铬晶体作为慢恢复可饱和吸收体的 特点，合理简化了 速率方程，得到了 c r : 第二章 调q固体激光器的工作原理 y a g 被 动 调q 速 率 方 程组 的 解 析 解。 x i a o 等 人 3 11 建 立了 饱 和 吸 收 体中 包 括e s a 的理论模型，张行愚等在这个基础上略加修正， 使之更符合实际 情况，通过图 形与公式相结合使速率方程的理论计算更加简单。 根 据图2 . 1 所示的c r a + :y a g四 能 级 模型 可以 看出 ， c r a + : y a g中 可以 发生的 能 级跃迁为1 - + 3 , 3 - 2 , 2 - l 月- + 2 和2 -+ 4 . 其中3 -+ 2 和4 - 1.2 跃 迁 速度快， 而 2 -+1 跃 迁 速度比 较 慢0 1 斗 3 和2 - 4 分 别 对应c r 4 : y a g的 基 态吸 收 和激 发 态吸 收， 二者都会增加可饱和吸收体对激光波长的吸收， 其相应的吸收截面为6 1 3 和 6 2,q ，则有: t o = 以 p ( -皿 3 n . 0 1 , ) ( 2 . 1 3 ) t . = t . 呱, 根据以上两式可得: 2a13n.o1.= 侧 2a24n.o“ 一 侧 用( 2 - 1 6 ) 式除以 2 - 1 5 ) 式，得到: 一 _a 3, = in t,a 13 in to ( 2 . 1 4 ) ( 2 . 1 5 ) ( 2 . 1 6 ) ( 2 . 1 7 ) 参数p 是可饱和吸收 体的一 个重要指标， 表明受 激态吸