（光学专业论文）ld侧面泵浦全固态连续黄光激光器研究.pdf

两北人学形11 j 学位论文 摘要 近几年来，黄光波段( 5 5 0 - 6 0 0 n m ) 的激光在医疗、生物、显示、天文观测 等领域有着特殊的用途。通过对l d 泵浦的n d ：y a g 晶体进行倍频，可获得红、 绿、蓝等可见光波段的激光输出且转换效率高。由于缺少相应的基频光，通过倍 频方式很难获得黄光波段的激光。然而通过n d ：y a g 的1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 n m 两条 谱线进行和频可以获得高功率和高光束质量的黄光输出并且转换效率高。本文主 要围绕l d 侧面泵浦全固态连续黄光激光器进行了理论分析和实验研究。 “第一部分为绪论：概括了激光二极管泵浦全固态激光器的特点，黄光激光器 的应用、获得方法以及l d 泵浦黄光激光器的国内外研究进展。 第二部分为理论介绍：从四能级速率方程出发i ：介绍了l d 泵浦全固态连续 激光器的工作阈值、增益饱和、输出功率和斜效率等特性；并讨论了全固态激光 器多波长同时振荡条件和产生和频的基本原理；介绍了产生黄光激光器的激光晶 体和常用的和频晶体特性。 第三部分为实验研究：设计了一台l d 侧面泵浦全固态连续黄光激光器，采 用双n d ：y a g 模块t 型复合腔腔内k t p 和频方案，得到了最大输出功率为 9 2 0 m w 的5 8 9 n m 黄激光，光束质量良好且输出稳定。 关键词：l d 侧面泵浦，和频，黄光，n d ：y a g ，k t p 两北大学硕士学位论文 s t u d yo nl ds i d e - - p u m p e da l l - - s o l i d - s t a t ec w y e l l o wl a s e r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o h e r e n tl i g h ts o u r c ei ny e l l o ws p e c t r a lr a n g e ( 5 5 0 一6 0 0 n m ) h a v e b e c o m ei n t e r e s t i n gf o rm a n yt e c h n i c a la p p l i c a t i o n si nm e d i c i n e ，b i o l o g y , d i s p l a y , a s t r o n o m i c a lo b s e r v a t i o na n do t h e rf i e l d s t h er e d ，g r e e n ，a n db l u el i g h tc a nb e g e n e r a t e d i t hh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yb yf r e q u e n c y d o u b l e dd i o d e p u m p e d n d ：y a gl a s e r s h o w e v e lt h ey e l l o wl a s e rc a n n o tb eg e n e r a t e db yf r e q u e n c yd o u b l i n g b e c a u s eo ft h ea b s e n c eo fc o r r e s p o n d i n gf u n d a m e n t a lf r e q u e n c y a ne f f e c t i v em e t h o d o fg e n e r a t i n gt h ey e l l o wl a s e ri ss h i t i f r e q u e n c ym i x i n go ft h et w ol i n e so fn d ：y a g l a s e r so p e r a t i n gn e a r10 6 4 n ma n d1319 n m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sa b o u ta l l - s o l i d - s t a t ec wy e l l o wl a s e rs i d e - p u m p e dh a v eb e e n m a d e t h ef i r s tp a r ti si n t r o d u c t i o n ：t h ea d v a n t a g e sa n dd e v e l o p m e n t so fl dp u m p e d a l l s o l i d s t a t e - l a s e ra r es u m m a r i z e d y e l l o wl a s e r s a p p l i c a t i o n sa n dm e t h o d st o o b t a i n y e l l o wl i g h t a r ec l a s s i f i e da n dt h e d e v e l o p m e n t o fl dp u m p e d a 1 1 s o l i d s t a t e 1 a s e r si nt h ew o r l di si n t r o d u c e d t h es e c o n dp a r ti st h et h e o r yo fl dp u m p e dc o n t i n u o u s - w a v el a s e r b a s i n go n t h er a t ee q u a t i o no ff o u r - l e v e ls y s t e m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e s h o l d ，s a t u r a t e dg a i n ， o u t p u tp o w e ra n ds l o p ee f f i c i e n c yo fa l l s o l i d s t a t e l a s e r sa lei n t r o d u c e d t h e q u a l i f i c a t i o n o fs i m u l t a n e o u s m u l t i p l ew a v e l e n g t h l a s e ro s c i l l a t i o na n dt h e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fs u m - f r e q u e n c y - g e n e r a t i o na r ed i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rc r y s t a la n ds o m e s u m f r e q u e n c y - g e n e r a t i o nc r 3 s t a l sa r e i n t r o d u c e d t h et h i r dp a r ti se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s ：as e to fl ds i d e - p u m p e da l l - s o l i d - s t a t e c wy e l l o wl a s e ri sd e s i g n e d b yu s i n gt w on d ：y a gm o d u l e st - s h a p ei n t r a c a v i t y s u m f r e q u e n c ym i x i n ga n dak t pc r y s t a l ，c w5 8 9 n my e l l o wl a s e rw i t hg o o db e a m q u a l i t ) ，a n do u t p u ts t a b i l i t yi so b t a i n e da n d t h eh i g h e s to u t p u tp o w e ri s9 2 0 m w k e y l l s 7 0 r d s ：l ds i d e p u m p e d ，s u m f r e q u e n c y g e n e r a t i o n ，y e l l o wl i g h t ，n d ：y a g , k t p 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：叁逸垦指导教师签名：二鱼錾筐 哪年多月夕日 砂蛑多月7 。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：忽灞争 加7 年多月夕日 西北大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百y 匕 自从1 9 6 0 年第一台激光器问世以来，固体激光器就一直处于研究工作的中 心地位。激光二极管( l d ) 抽运的全固态激光器以其体积小、寿命长、效率高、 光束质量好和性能稳定等优点成为激光技术研究的热点。通过倍频，可获得红、 绿、蓝等可见光波段激光输出，并在许多领域得到了广泛的一用。然而，波长在 5 5 0 - - 一6 0 0 n m 的黄光波段由于缺少相应的基频光而无法通过倍频方式获得，而这 个波段在医疗、生物、显示、天文观测等领域有着特殊的用途。如果在激光谐振 腔内可以获得两个或两个以上的不同波长激光谱线振荡，选择确定切割的非线性 晶体，进行和频可以获得与激光发射谱线不同的和频波长输出，而这恰能够产生 5 5 0 一6 0 0 n m 的黄光波段激光，因此具有较高的实用价值。 1 1l d 泵浦全固态激光器的特点 全固态激光器是指用半导体激光器( l d ) 代替传统的闪光灯泵浦的固体激光 器。它具有效率高、体积小、寿命长、可靠性高、结构牢固、光束质量好、输出 谱线范围宽等优势，已成为新一代的优质相干光源。采用l d 作为泵浦源具有以 下优点【1 j ： ( 1 ) 能量转换效率高 采用l d 作为泵浦源的最主要的优点是能量转换效率高，这是灯泵浦固体激 光器所无法比拟的。其效率高的根本原因是半导体二极管激光器发射波长可以和 工作物质的吸收波长完全重合。以掺钕( n d 3 + ) 激光器为例，由于泵浦灯很宽的 辐射光谱与钕离子吸收带匹配不好，通常灯泵浦的n d ：y a g 激光器总效率低于3 ，并且大功率下热效应明显，光束质量和稳定性差。而l d 的发射谱线要窄许 多( 仅约3 n m ) ，还可以通过温度调谐来改变其发射波长，使其峰值发射波长与激 活粒子的吸收带很好的匹配，因而泵浦效率比灯泵浦高许多。 ( 2 ) 寿命长、系统稳定可靠 激光二极管泵浦固体激光器的系统寿命和可靠性都优于闪光灯泵浦。在连续 1 西北大学硕士学位论文 工作时，激光二极管阵列的寿命是1 0 0 0 0 h ，大约发射1 0 9 次脉冲。闪光灯在连续 工作时的寿命大约是5 0 0 h ，大约发射1 0 8 次。另外由于半导体激光器输出功率的 高稳定性，使得l d 泵浦的固体激光器的不稳定度通常可以保持在百分之一以下。 ( 3 ) 热效应小、输出光束噪声特性好、频率稳定、质量高 由于激光二极管泵浦激光器的发射波长与钕离子吸收带之间的良好光谱匹 配，使得耗散于激光介质中的热量很小，利于激光器散热，从而降低了热透镜效 应和热光畸变，利于改善光束质量。此外，激光二极管辐射的方向性，使得有可 能设计出泵浦辐射与低阶模之间存在良好光谱交叠的谐振腔，进而产生高亮度的 激光输出。 ( 4 ) 可实现激光系统的紧凑性、多功能性 激光二极管泵浦具有结构简单、体积小等特点，输出光束的方向性好、发散 角小，使得有可能设计出结构紧凑的固体激光器。 与半导体激光相比，l d 泵浦的全固态激光器也有它突出的优点，比如它的 输出光束是接近衍射极限的基模高斯光束，一般可以做到光束质量因子m 2 小于 1 5 ；相比之下，半导体激光器尤其是高功率半导体激光器的输出光束则是非圆 对称的高阶横模，一般光束质量因子m 2 将会超过1 0 0 。固体激光介质中激活离子 的上能级寿命一般大于几百个微秒，使得它能够通过调q 技术获得高脉冲峰值功 率，通过锁模技术，还可以得到低于1 0 飞秒的脉冲输出，峰值功率超过万亿瓦； 而半导体激光器中电子和空穴复合寿命短( i n s ) ，激活区损伤阈值低( m w c m 2 ) ， 所以半导体激光器不适合用来得到高峰值功率。另外，利用固体激光器的倍频和 混频等技术，可以得到从红外、可见光，到紫外甚至深紫外波段的激光，而半导 体激光器目前的波长范围只能从蓝光到红外波段1 2 j 。 1 2 黄光激光器的应用 黄光波段的激光接近人眼最敏感的波长( 5 5 5 n m ) ，适合激光显示和照明，特 别是在有雾气的情况下的大地测量以及各种准直场合有特殊的用途。黄光可应用 于多个领域：医学上可用于鲜红斑痣和眼科的激光治疗；在天文望远镜中可以代 2 西北大学硕士学位论文 替传统的钠导信号光源；在军事上可用于空间目标的探测与识别，而且在分子生 物学、化学等领域也有着重要的应用。特别是5 8 9 n m 激光，由于与钠d ：跃迁谱 线相吻合，因而在实验室光谱研究、大气层遥感探测等领域有着重要的应j 。全 固态黄光激光器已经成为目前可见光激光器的研究热点。 目前钠光信标技术主要运用在自适应光学系统中，特别是应用f 天文观测 上，利用产生的5 8 9 n m 钠黄激光使地球大气上层的钠元素发光，形成引导星 ( g u i d i n gs t a 0 ，使得自适应天文光学系统能够消除由于大气原因产生的畸变。 研究发现，如果有一明亮的光源( 信标) 在天空中，白适应光学能够减小天 文图像中的大气畸变效应。虽然明亮的星星对天文研究来说是一种显著的光源， 但是大部分天空并不包含星体，而且不具备自适应光学中近红外或可见光波段所 需要的亮度。因此，人们建议从地球大气层分子瑞利散射平流层( 1 2 k m ) 或者 地球中间层的原子钠层( 8 0 1 0 0 k m ) 进行激光背景扫描来提供信标，用于大气畸变 的自适应光学补偿。这种补偿方法已经在低海拔激光瑞利散射实验中证明。虽然 低海拔瑞利散射可为自适应光学系统提供大量的背景扫描信号，但是更高海拔的 中间钠层减少了背景扫描的信标差异，并使得光源星状化。这些因素使得钠荧光 成为产生人工信标的首选方法【4 7 1 。 图1 1 美国激光钠导星装置图图1 2 激光钠导星照片 在高能物理上，可以利用钠黄激光冷却钠原子。激光场的光强很大，对原子 西北大学硕士学位论文 运动行为的影响显著。一般原子每秒可吸收发射上千万个光子，由于每次吸收激 光光子是定向的，而发射荧光光子是无规则的，导致原子迅速冷却。如对于钠原 子的5 8 9 n m 的共振光，其减速效果相当于1 0 万倍的重力加速度。这种利用激光 场减速原子的运动是冷却原子的一种有效方法，称之为激光冷却。用这种方法冷 却原子，速度就能无限趋近于零。实际上已应用激光将原子的温度冷却到1 0 1 2 k 数量级，原子运动的平均速度己接近于零【3 】。 1 3 黄光激光器的几种实现方法 自从科学家们发现黄光激光器在医疗、生物、显示、天文观测等领域有着特 殊的用途以来，人们就在一直探索其实现方法，已经取得了很大的成就，找到了 多种获得黄光激光的方法。 ( 1 ) 通过染料激光器获得 有机染料激光器自1 9 6 6 年研究成功以来，就得到了迅速的发展，可供选择 的激光染料多达数百种，激光谱线的波长可覆盖从紫外到近红外的很宽波段。激 光输出波长的连续可调谐性是染料激光器最突出的优点，加上增益高、装置简单， 得到日益广泛的应用。国外有关专家通过染料激光技术获得了5 8 9 n m 激光的输 出，但是由于染料激光器的功率低、安全性差、染料退化并有毒性、能量消耗高、 稳定差等一系列问题，染料激光器的设计方案己经很少应用【4 】。 ( 2 ) 通过化学激光器获得 通过化学的方法，直接激励溶液中钠原子，在理论上是产生5 8 9 n m 激光源 的一种简单可行的方法。有学者采用该方法，观测到了溶液中钠原子的反斯托克 斯受激拉曼散射谱线双频移效应，为研究化学反应进行中钠原子受激非线性光谱 开辟了新途径【5 1 。 ( 3 ) 通过基于红外波长倍频的黄光激光器获得 通过镀制特殊要求的谐振腔膜，抑制增益较大的激光谱线运转来实现1 1 0 0 一- , 1 2 0 0 n m 波段的基频激光输出，通过优化谐振腔，直接倍频基频光得到高功率的 黄光输出。这种技术中所使用的激光晶体既包括了线发射的晶体如y b ：y a b 晶 体，也包括了宽带发射的激光晶体如红外色心晶体、c r 3 + ：m 9 2 s i 0 4 等。红外色心 晶体氟化锂是在室温下获得黄光运转的材料，它是具有稳定的物理化学性质、高 4 西北大学硕士学位论文 的量子效率、光增益系数和光热稳定性。但是这种方法由于对腔镜镀膜要求较高 所以实现起来比较苦难且转化效率低。 ( 4 ) 通过全固态拉曼频移激光器获得 拉曼频移激光器是当前获得新波段激光研究的主要手段之一，也是当前激光 器研究中一种备受重视、发展很快的激光器。拉曼频移激光器是基于受激拉曼散 射( s r s ) 效应，能够得到固体激光器不能直接发射的波长。与传统液体和气体 受激拉曼材料相比，固体拉曼材料具有优良的机械和化学稳定性，寿命长、增益 高、热导率高，可以高频率工作。目前的研究包括光纤拉曼激光器和拉曼晶体激 光器。全固态拉曼黄光激光器的主要技术方案有三种：第一种是光纤拉曼黄光激 光器，主要是利用输出1 1 “m 激光的掺y b 双包层光纤激光器抽运具有拉曼效应 的光纤得到1 1 7 8 n m 拉曼激光，再通过倍频晶体倍频获得黄光输出。但目前光纤 拉曼激光器的转换效率比较低。随着光纤技术的迅速发展和大功率掺y b 光纤激 光器的出现，这种方法将是实现大功率黄光输出的一个重要手段。 第二种是利用拉曼介质的拉曼频移作用将5 3 2 n m 绿光直接频移到黄光波段。 这种直接频移型的拉曼激光器结构相对简单，但是由于拉曼转换效率受限于绿光 激光的功率密度，输出功率不高。随着大功率绿光激光器的发展，此种方法将是 提高黄光输出功率的一个重要途径。 第三种是将1 0 6 4 n m 基频光通过拉曼晶体频移到1 1 0 0 - - - 1 2 0 0 n m 的红外波长 范围，再通过倍频晶体倍频得到黄光输出。此种方法中，激光晶体、拉曼晶体和 倍频晶体都放置在谐振腔内，便于实现基频光和拉曼激光的模式匹配，同时由于 一腔内激光功率密度高，容易得到较高的拉曼增益和倍频效率，有利于获得高功率 的黄光输出。但是由于基频光和拉曼激光在同一腔内振荡，拉曼激光的稳定性容 易受到谐振腔和晶体热效应的影响。拉曼激光的稳定振荡，对谐振腔镜的镀膜质 量和激光冷却系统都提出了很高的要求。 ( 5 ) 利用全固态双波长激光腔内腔外和频激光器获得 通过晶体的非线性和频效应，将1 0 6 1 a m 和1 3 i t m 的激光转化为黄光是实现 黄光激光的一个重要手段。目前实现这种方式的激光晶体主要是n d ：y a g 和 n d ：y v 0 4 ，这两种掺n d 的激光晶体在1 0 6 1 a m 和1 3 m 谱线都具有较大的受激 发射截面，通过对谐振腔进行适当的设计可以在谐振腔内实现双波长振荡。再将 西北大学硕士学位论文 两基频光在晶体内实现和频，从而得到黄激光输出。通过这种方法已经获得了高 功率的和频黄激光输出，且输出稳定、光束质量好、转换效率高。而且这样还有 利于实现激光器结构的紧凑和小型化【6 】。 1 4l d 泵浦全固态黄光激光器国内外发展现状 自2 0 世纪9 0 年代后期科学家们提出了l d 抽运全固态黄光激光器的研究之 后，以l d 侧面泵浦复合腔高功率和光纤耦合l d 端面泵浦直线型高效率两个方 向发展的黄光激光器的研究成为目前激光器领域中的一个亮点。 1 、国外研究成果简介 1 9 9 3 年美国麻省理工学院林肯实验室的p s c h u l t z 等人首次利用n d ：y a g 激 光器，通过腔内和频得到了黄激光输出【刀。1 9 9 8 年j o s e p h d v a n c e 等人利用两个 连续运转的单模n d ：y a g 激光器( 一个输出1 0 6 4 n m 激光，另一个输出1 3 1 9 n m 激光) ，通过铌酸锂晶体腔外和频得到了4 0 0 m w 的5 8 9 n m 黄光激光，光一光转 换效率为o 8 【8 1 。2 0 0 3 年，n o r i h i t os a i t o 等人9 1 采用端面泵浦，声光锁模器件， 当运转频率1 5 0 m h z 时，1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 n m 脉冲宽度均为l n s ，输出的最高平均 功率分别为1 9 w 和o 8 8 w ，偏振方向相同，腔外单通和频，5 8 9 n m 和频光输出 2 6 0 m w ，转换效率1 4 。2 0 0 5 年，该小组人员在上述谐振腔基础上进行了改进。 1 0 6 4 n m 基频光依然是端面泵浦，但腔型为折叠腔，并将和频晶体p p k t p 置于其 中；1 3 1 9 n m 采用的是侧面泵浦，腔型依然采用直腔结构；获得了5 8 9 n m 黄光输 出为1 w ，m 2 = 1 5 。2 0 0 3 年，美国航空研究实验室的c r a i ga d e n m a n 等人【1 0 1 采用注入锁模的n d ：y a g 激光器输出1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 n m 基频光，通过腔外“八字 环形腔”( 也叫蝴蝶结腔) l b o 晶体i 类相位匹配和频，输出了功率2 0 w 的衍射 受限的单频连续光5 8 9 n m 黄光，泵浦光的能里转换效率接近6 0 。该装置可以 用做大气中间层钠层的信标，从而为自适应光学望远镜设备提供了更大的天空覆 盖率，整个实验系统由4 个子系统构成。2 0 0 6 年，该实验室实现了5 0 w 的5 8 9 n m 黄光输出，并用于产生“激光引导星”1 1 。 2 0 0 4 年，yfc h e n 等【1 2 】人利用l d 端面泵浦抽运n d ：y v 0 4 晶体，采用单通 道直线型三镜复合腔结构，在两个子腔内实现了调q 状态下的1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 n m 双波长激光振荡，用p p k t p 腔内和频得到6 1 0 m w 的5 9 3 n m 黄光脉冲输出，光 6 西北大学硕士学位论文 一光转换效率为3 6 。2 0 0 6 年，日本东京大学、国家天文观测研究院等多家单 位联合采用双棒串接侧面泵浦，声光锁模技术，当频率1 5 0 m h z 时，1 0 6 4 n m 和 1 31 9 n m 脉宽均为0 8 n s ，最高平均功率分别为1 6 5 w 和5 3 w ，经光束耦合器后 被聚焦到p p m g s l t ，腔外单通和频，输出5 8 9 n m 黄光4 6 w ，m 2 = 1 1 ，激光运 转8 小时不稳定度在1 2 。 除美国、日本外，德、法、英等国在该领域也开展了大量的研究。 2 、国内黄光发展现状 我国目前在全固态黄光激光器的研究方面也取得了一些进展，在国家8 6 3 计 划的重点支持下，2 0 0 3 年中科院物理所使用复合折叠腔和n d ：y a g 晶体棒串接 方法，经过k t p 和频获得了5 1 0 m w 的5 8 9 n m 黄光输出【1 3 1 。中科院长春光机所 最近几年在全固态黄光激光器的研制方面做了大量的工作并取得了一定的成果。 表1 1 列出了长春光机所黄光激光研制情况【悼3 。 表1 1 长春光机所黄光激光研制情况表 光光转 时间工作物质和频晶体输出波长输出功率工作方式 换效率 2 0 0 4n d ：y a gl b 05 8 9 n m2 0 m w连续 2 0 0 5n d ：y a gk t p5 8 9 n m4 3 0 m w3 6 连续 2 0 0 5n d ：y v 0 4l b o5 9 3 n m2 6 0 m w连续 2 0 0 5n d ：y v 0 4k t p5 9 3 n m5 2 0 m w连续 2 0 0 5n d ：y v 0 4l b o5 9 3 n m8 5 m w 4 7 连续 2 0 0 5n d ：y v 0 4k t p5 9 3 n m5 1 0 m w 2 6 连续 2 0 0 5n d ：y v 0 4l b o5 9 3 n m8 4 m w 5 3 连续 2 0 0 6n d ：y a gl b o5 8 9 n m3 8 4 m w连续 2 0 0 6n d ：y a gl b o5 8 9 n m8 6 0 m w 5 7 连续 2 0 0 6n d ：y v 0 4l b o5 9 3 n m1 1 w 9 2 连续 2 0 0 7n d ：y v 0 4b m o5 9 3 n m4 8 5 m w连续 2 0 0 7n d ：y v 0 4l b o5 9 3 n m5 2 m w连续 7 西北大学硕士学位论文 n d ：y v 0 4 2 0 0 7k t p5 8 8 n m1 1 2 w 3 7 连续 n d ：g d v 0 4 n d ：y v 0 4 2 0 0 7l b o5 5 5 n m5 4 2 m w连续 n d ：y ：a g n d ：y v 0 4 2 0 0 7k t p 6 1 3 n m3 4 4 m w连续 n d ：y a g y b ：y a g 2 0 0 7k t p5 8 3 n m4 4 0 m w连续 n d ：g d v 0 4 n d ：y v 0 4 2 0 0 7b i b o5 8 9 n m2 4 m w连续 n d ：y a g 中科院物理研究所【3 2 】于2 0 0 5 年采用l 形平平双对称折叠腔，通过选择合适 的泵浦功率，使得1 3 1 9 n m 和1 0 6 4 n m 两束光在腔内达到最佳比例，通过k t p i i 类和频晶体获得了3 2 3 w 的5 8 9 n m 黄光输出。2 0 0 6 年他们【3 4 】采用双棒串接热近 非稳平平腔并在每两个激光头之间插入一块9 0 0 石英旋光片，用来补偿热致双折 射，采用k t p 和频晶体，最终获得了连续输出5 8 9 n m 黄光4 8 w ，m 2 = 4 6 。2 0 0 6 年他们又【3 3 】手艮道了采用双n d ：y a g 棒串接v 型折叠腔腔内k t p 和频，得到了 3 w 连续波5 8 9 n m 黄光输出。2 0 0 6 年中科院福建物质结构研究所【35 j 报道了利用 n d ：y a p 电光调q 脉冲激光器发射的1 0 7 9 5 n m 与1 3 4 1 4 n m 双波长激光通过和 频晶体l b o 获得了输出能量为1 2 m j 、脉宽为4 5 n s 。峰值功率为0 2 6 6 7 m w 的 5 9 8 1 n m 黄色激光，能量转换效率为8 。2 0 0 6 年中国工程物理研究酣3 6 j 设计了 一种简便高效的实验和频方案，二极管泵浦n d ：y a g 激光器经腔镜镀膜及腔内可 倾斜标准具调谐，分别输出了波长为1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 r i m 的准连续激光，然后通 过脉冲同步调节，实现了5 8 9 n m 黄光输出，平均功率达到5 0 0 m w ，光束质量因 子m 2 约2 1 ，和频效率1 8 。 1 5 本论文的主要工作 本文主要对l d 侧面泵浦连续输出黄光激光器进行了理论分析和实验研究。 西北大学硕士学位论文 主要有以下几个方面的工作： l 、概括了激光二极管泵浦全固态激光器的特点，黄光激光器的应用、获得 方法以及l d 泵浦黄光激光器的国内外研究进展。 2 、介绍了l d 泵浦连续激光器的理论。从四能级速率方程出发，介绍了l d 泵浦全固态连续激光器的工作闽值、增益饱和、输出功率和斜效率等特性；并讨 论了全固态激光器多波长同时振荡条件。 3 、讨论了产生和频的基本原理。从非线性介质中的耦合波方程出发，得到 了和频产生的数学表达式，然后求出了在块状介质内和频产生的简单解；并对相 位匹配的意义、方法和具有高转换效率的和频产生进行了讨论。最后介绍了产生 黄光的激光晶体和常用的和频晶体特性。 4 、主要对l d 侧面泵浦连续黄光激光器的实验进行了研究，讨论了实验方 案的设计及参数的确定。最终采用双n d ：y a g 模块t 型复合腔腔内k t p 和频方 案，得到了最大输出功率为9 2 0 m w 的连续5 8 9 n m 黄光，光束质量良好且输出稳 定t 并且在原有黄光实验装置中加了一块对1 0 6 4 n m 倍频的k t p 晶体，实现了 黄光和绿光两路同时输出，当黄光输出功率最大时测得绿光最大输出功率为 3 1 w ，并对实验结果进行了分析。 最后对本文做了进一步总结并提出了一些建议。 9 西北大学硕士学位论文 第二章l d 泵浦全固态连续激光器理论 l d 泵浦的全固态激光器是以与空间相关的速率方程理论为理论依据，这组 方程简化后的形式是一对描述均匀激光增益介质内部反转粒子数和光子数密度 的联立方程。通过求解速率方程便可建立光波场与物质间相互作用的解析解。此 解对于分析激光系统中的激励泵浦、粒子数反转、增益及其饱和、激光器的功率 特性及一些重要的动力学过程都具有重要的实际意义。 2 1 四能级速率方程理论 1 1 速率方程对泵浦光与四能级( 或三能级) 增益介质之间的相互作用进行了近 似的描述。泵浦光把基态的离子抽运到激发态后，启动了离子在增益介质内部的 各种辐射过程和非辐射过程，速率方程主要对受激发射过程进行近似计算。 由于我们采用n d ：y a g 晶体作为激光器的工作物质，而且其辐射机理是典型 的四能级系统，所以我们主要考虑四能级系统。与三能级系统相比，四能级系统 具有较低的阈值、较高的效率，容易获得激光振荡。因为按照玻尔兹曼分布，四 能级系统的激光下能级上的粒子数可以忽略，而三能级系统的激光下能级粒子数 却不能够忽略。 泵浦带陵缓绥勿豸缓黝历 泵浦跃迁 j 基能级 茎易 竖苔蜀 丛善三 粒子数密度 图2 1 四能级激光系统能级简图 图2 1 给出了n d ：y a g 晶体的四能级激光系统能级简图，泵浦跃迁从基态( 能 级e o ) 扩展到宽吸收带e 3 ，受激离子快速进入上能级，能级也是亚稳态能 l o 吖参； -_-l，-_i t i1jit t o i r 西北大学硕士学位论文 级，它的寿命比较长，激光跃迁出现在能级和之间，然后离子从能级快速 无辐射地跃迁回到基态能级。在实际中，终端能级e 。是空的，因为终端激光能 级与基态能级之间的驰豫时间明显短于荧光寿命( 也就是t l o t ：。) ，而且终端能 级远在基态能级之上，所以它的热粒子数很少。在四能级系统中，即使泵浦功率 很小也会出现粒子数反转，所以容易获得激光振荡。 假设从泵浦带到上激光能级的跃迁的速率非常快，以致可以忽略泵浦带的粒 子数，即n 3 o 。所以得到两个激光能级之间的变化量为 百d n 2 蛳_ 一卜纠础一袅 仁， 鲁= 卜一詈刀。 础+ 等一等 c 2 2 ， 力r 口f = r l + 刀2 + 刀o ( 2 1 3 ) - 式中n o 、刀l 、刀2 分别表示能级0 、1 、2 的粒子数密度，g l 、9 2 为能级简并度， f 表示对应能级之间跃迁的寿命( 下脚标表示跃迁的上下能级) ，为泵浦速率， t 为时间，妒为光子数密度，o r 为受激发射截面，c 为光速。 从上面的方程可以看出，在四能级系统中，激光上能级的粒子数由于泵浦而 增多，由于向激光下能级和基能级的受激发射和自发发射而减少。低能级的粒子 数由于受激发射和自发发射而增多，又由于向基能级的无辐射驰豫过程而减少。 时间常量t l o 可以说明其特征。在理想的四能级系统中，终端能级以无限快的速 。：度向基能级消耗。如果有t l o = o ，则由( 2 1 2 ) 得h i = o 。此时，所有的粒子数都 分布在基能级和激光上能级中。所以对于理想的四能级系统，有 刀= 刀2 ( 2 1 4 ) 由于n 2 丑掣 ( 2 2 1 5 ) g i f c c 从上式中可以看出激光振荡中有利于高增益和低阈值的因子。为了获得低阈 值反转，激光材料的原子线宽y 应该很窄；激光腔和晶体的入射损耗应该最小， 以便延长光子寿命乙。阈值临界反转密度只唯一地取决于振荡器参量乙，输出 镜的高反射率将增大光子寿命，从而降低激光阈值，不过这也会降低激光器耦合 输出的有效辐射量。 激光器以闽值或接近阈值工作时，光子数密度妒非常小，可以忽略不计。在 ( 2 1 6 ) 中令伊= o ，并假设稳定态的粒子数反转条件为譬：0 ，对四能级系统得 0 l 案= 器 亿2 6 ) 四能级材料的自然寿命对泵浦功率阈值没有影响，任何有限的泵浦速率 1 5 西北大学硕士学位论文 都可以获得反转粒子数。上式只有在忽略光子通量p 时才有效，这时也称为小信 号放大方式。下面来计算为了维持阈值条件下的粒子数反转，晶体在泵浦带内必 须吸收的最小泵浦功率。由于刚刚超过阂值时，激活材料内的所有泵浦功率几乎 都变为自发发射，因此算出阈值的荧光功率就可得到上述的最小泵浦功率。在四 能级系统中，单位体积激光跃迁的荧光功率为 厶：盟：生 ( 2 21 7 ) 因子薏表示泵浦带的光子能量与激光波长的光确疆批匕r t q ( 2 1 9 ) 定义的量子效率，泵浦功率和荧光功率之差表示释放到晶格的热功率。 2 2 2 增益饱和 上面分析了激光阈值条件，它以稳定态的反转粒子数来表征，此时受激跃迁 比自发跃迁小，忽略了受激发射的效应。然而当超过阈值时，谐振腔内就建立起 受激发射和光子数密度。若远远超过阂值，就必须考虑谐振腔内存在很大的光子 数密度。从( 2 1 6 ) 式可见譬随着光子数密度的增加而降低，当反转粒子数稳 研 定于某值时，就达到稳定态，此时泵浦源促成的向上跃迁与受激发射、自发发射 引起的向下跃迁相等。若譬：0 ，且有强光子数密度伊，则稳定态的反转粒子数 研 密度为 ”- 肛丽蔫 c 却+ 睨+ 一二 ( 2 2 1 8 ) 光子数密度够由相向通过激光材料的两束光之和给出。当系统内不存在受激 发射时，在某一泵浦功率下的增益系数，也就是小信号增益系数可由在式( 2 2 1 8 ) 中令够= 0 求出 岛= 吒o ( 0 + 1 ) 1 ( 2 2 1 9 ) 若泵浦功率高于阈值并且阻止激光振荡时，激活材料就具有上述的小信号增 益系数。如果反馈恢复了，谐振腔内的光子数密度将开始随g 。按指数规律增加， 系统的增益同时随光子数密度的增加而降低，考虑到g = 仃：。疗，由上两式得饱和 西北大学硕士学位论文 增益系数为 g 2 g o + 爿 + l 因为系统内的功率密度为，= c 加y ，所以 ( 2 2 2 0 ) ( 2 2 2 1 ) 式中为饱和功率密度( 也称为饱和参量) l = 卜采 仁2 2 2 ， 当小信号增益系数g 。减小- h a n 时，参量，s 决定了激活材料内的光通量。在 四能级系统中 i 1 ，因此上式可譬简化为 ，s ：l ( 2 2 2 3 ) 对n d ：y a g 晶体，已知光子能量h v = 1 8 6 1 0 。9 j ，相应于激光增益谱线轮 廓中心频率处的发射截面为仃2 l = 8 8x 1 0 - 1 9 c t t 2 ，荧光寿命0 = 2 3 0 t s ，可以计 算出饱和参量，= 9 2 0 w c m2 。 由上面增益系数的公式可见，小信号增益仅取决于材料的参量和对激活材料 的泵浦功率，而大信号增益还与谐振腔内的功率密度有关。 在四能级系统中，每秒向下跃迁的总量可以写为 等巩p 爿 仁2 2 4 ， 式中，0 为上激光能级的荧光衰变时间，为受激发射寿命 h v t t2 习 1 7 ( 2 2 2 5 ) 西北大学硕士学位论文 式中，为激活材料内的功率密度。因此，当激发功率增大到振荡阈值之上 时，参与受激发射的部分功率也随之增大。比较( 2 2 2 3 ) 和( 2 2 2 5 ) ，可得 = 。 ( 2 2 2 6 ) 若激光材料内的功率密度与饱和功率密度相等，受激发射寿命就等于上激光 能级的荧光衰变时间f ，。 在均匀加宽的介质中，饱和过程是使整个增益谱线轮廓成比例地下降；而在 非均匀谱线加宽的介质中，增益饱和通常表现出典型的“空穴”效应。 2 2 3 输出功率与斜效率 输出功率由下式给出 乞圳v o s z 1 l r ( 2 2 2 7 ) 其中，丁为输出镜的透过率。定义斜率效率仇为 玩。再r o , t ( 2 泌) 因此，只要求得腔内光子数s ，即可求得输出功率尸俐和斜率效率仉。而s 通过( 2 2 2 9 ) 式与r 有关系，r 又是尸加的函数，通过数值计算就可求得p 。训- p 加 的关系和r , - p 加的关系。 蝶箦陆南 仁2 2 9 ) 我们仅讨论近阈值和强光泵浦两种极端状态下的输出功率和斜率效率表达 式。 ( 1 ) 近阈值条件下的输出功率和斜率效率 在近阈值条件下，腔内光子数密度满足 s s o ( x ，y ，z ) “l c o 、f 且ncc r r ，s s o ( x ，y ，z ) l 即：三研r s s o ( x ，y ，z ) 1( 2 2 4 1 ) 则( 2 。2 。2 9 ) 式可近似为： 崆警喾黑肌一=研n6(2242，s 川1 + 三所rs 。( 础z ) c s c r r f2 三叮r 所以：s ：丝 r( 2 2 4 3 ) cd 只广玑。瓦h v ，了t 己( 2 2 4 4 ) 仇：仇兰i t ( 2 2 4 5 ) 仇5 仇瓦孑 【2 2 由( 2 2 4 4 ) 和( 2 2 4 5 ) 式可看出：在强激光泵浦下，输出功率仍正比于 嬲和输入功率p 帕而斜效率仅是册的函数。式( 2 2 3 8 ) 是在近阈值下推导 出来的，斜率效率表现为一常数，不随p 加变化，而在实际过程中，斜效率随尸胁 的增大而增大，直到接近于强激光泵浦条件的斜率效率常数。因此，人们常用 ( 2 2 4 5 ) 式来估算激光器的斜率效率。 2 3 全固态激光器多波长同时振荡条件3 9 】 由于大多数激光增益介质具有多条跃迁谱线，如果通过谐振腔参量的控制， 激光谐振腔内可以获得两个或两个以上的不同波长激光谱线振荡，选择确定的非 线性晶体，在腔内或腔外进行和频，可以获得与激光发射谱线不同的和频波长输 出，研究人员就是通过这种方法实现全固态黄光的输出。 从2 0 世纪9 0 年代初开始，有些作者己对各种掺钕离子激光增益介质双波长 振荡和输出的可能性进行可研究，并从理论上给出了双波长振荡的条件。双波长 2 0 西北大学硕士学位论文 激光器已经在n d ：y a g 、n d ：y l f 、和n d ：y a p 等激光晶体中实现，但以上所有的 双波长运转都是在灯泵下进行的。2 0 0 0 年yf c h e n 首次利用激光二极管抽运 n d ：y v 0 4 实现了双波长输出。 在通常的固体激光器中，由于激光谱线之间的模式竞争，增益较弱的激光谱 线会被增益较强的激光谱线抑制掉而无法振荡，因而一般只能在增益较强的谱线 处实现振荡。对于固体激光器中的多波长同时输出特性，人们进行了大量的研究， 但是，目前这些研究还不透彻，仍然有许多工作需要做。 为了使多个激光谱线能够同时实现激光振荡，必须采取一些方法使这些激光 谱线具有相同的增益，也就是说，必须使这些激光器在这些激光谱线处有相同的 阈值，这样就能够获得多波长激光的同时输出。对于同一个激光器来说，如果想 要在1 条谱线处同时实现激光输出，那么在这胛条谱线处必须满足下面的条件： r ，：e x p 2 ( g ；一厶) ，o 】= 1 ( f _ l ，力)(