（光学专业论文）半导体泵浦nd～（3）：gdvo_4激光中的调q锁模技术.pdf

学位论文独创性声明 本人所坚交的学位论文足我在导师的指导下进行的研究l ：作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：i 盗三生i j 期! 盟塑5 日 学位论文使用授权声明 本人完全_ 解华东师范大学有关保留、使川学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权 将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 璇三霉 日期：趔! l ! 垒啦鲫 导师签名 慨墨! 丝幽，矽 、f 导体泉油jn d ”g d v o 。激光中的蝴q 锁模技术 摘要 脉冲激光器在激光雷达、通讯、材料加工、m 线性频率转换等领域具有广 泛的应用，采州二 导体激光； 泵h t f l q l l 体激光器具有转换效率商、_ _ _ 【：作寿命氏、 结构简单、性能稳定等诸多优点，所以在半导体激光器裂浦的心体激光器i ，通过 凋。或者锁模的方法实现短脉冲激光输出已经成为激光器发展的新方向。在本 论文 ，我们泔沦r “、卜导体激光器袋_ | | i n 勺n d ：g d v 0 4 闻 小激光器- ”歌得凋o 锁楼( 和连续锁棋) 脉冲激光输m 旧几种办法。 作为一种新的激光晶体，n d ：g d v 0 4 具有导热性能好、吸收截而大、发射带 宽宽等优点，吲此决定了它在同类激光晶体叫i 具有微媸的竞争力。在第一章中， 我们简述了凋q 锁模的理论，介绍了n d ：g d v 0 4 6 体的特性并且与儿种常川的 晶体进行了比较。然后在后l f ；【i 的三章l l _ i 我们分别讨沦了二种在n d ：g d v 0 4 固体 激光器i i 获得渊q 锁模脉冲办法，如i j 行迷： 用可饱和吸收休c r ”：y a g 实观响o 锁= ；! ：闪为c r 44 ：y a g 的h 有苯态饱和 吸收( g s a ) 和激发态饱和 吸收( e s a ) 特t l ：，并l l i 七榭应能级的弛豫时间分别 在微秒和皮秒罱缎，我们可以利门jc r “：y a g 的这f l j 特性来构建凋q 锁模的激光 器。实验。| j 我们扶得了波长住1 0 6p m 、 域人输 功术为3 2 2w 的渊q 锁模激 光脉冲输，并儿刈j 目q 锁模的稠制深度以及j 时 变为连续锁模i 叮能性进行了 讨论。 厂订、i j 导体可饱| ；f | l 吸收镜( s e s a m ) 洲q 锁校：s e s a m 填订两利叼：同的时 删响应特性，这使得在i ：1s e s a m 实现锁模的时候也会产7 i 洲q 的脉包缉，可 以用s e s a m 的这种4 j r l ：米构建渊q 锁横的激光器。实验小我们杓：获得了1 0 6 “m 的最大输出功率为3 5 w 的调o 锁模激光脉冲输“踊j 最大输h ；功：# 4 9w 的连续 锁模脉冲输出。通过自相关测最测得连续锁模脉冲的宽度为1 1 5p s 。在这 ! l j 分内 、卜廿体采j 】j i n d ”：g d v o 。激光中的调q 锁模技术 容晕，我们同样对调q 锁模至连续锁模的变化条纠：进行了讨论。 n d 3 + ：g d v 0 4 晶体的自锁模：我们简单分析了获得自锁模的方法，并且通过 实验在n d ：g d v 0 4 激光器中获得自锁模脉冲输f f ；。f i ! 魁l | j 二n d 3 + 离子的上能绒 比较k ，在产生自锁模的同时比较容易产生n 凋q ，实验r ”我们获得了自调q 自锁模的激光脉冲。我们讨沦了抑制自凋q 包络的方法并目，在实验中获得了 稳定的连续自锁模脉冲。 关键词：n d 3 + ：g d v 0 4 晶体，c ，+ ：y a g ，s e s a m ，j i ，导体泵浦，网体激光器，被 动调q ，被动锁模，凋q 锁模，l = i ：j 饱和吸收体，阳锁模。 2 ! 羔壁! j 墨塑! ! 二型! 竺! 堂堂主竺塑旦堡壁垫查! a b s t r a c t p u l s e dl a s e r sh a v e b e e n u s e dw i d e l yi nv a r i o u sl i c l d s ，s u c ha sr a n g ef i n d e r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，m a t e r i a lp r o c e s s ，a n d n o n l i n e a rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n d i o d e - p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r sh a v ev a r i o u sa d v a n t a g e ss u c h a s h i g hc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y , l o n gw o r k i n gl i f e t i m e ，s i m p l i c i t y , a n ds t a b i l i t y c o n s e q u e n t l y , d e v e l o p i n g t e c h n i q u e s f o rq s w i t c h i n go rm o d e - l o c k i n gi n d i o d e p u m p e dl a s e r s h a sb e e n b u r g e o n i n ga sn e we x p l o r a t i o nt og e tc o m p a c tp u l s e dl a s e r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n w e d i s c u s ss e v e r a l t e c h n i q u e st og e n e r a t eq s w i t c h e dm o d e - l o c k e d ( o r s t a b l ec w m o d e l o c k e d ) l a s e rp u l s e si nd i o d e p u m p e dn d ：g d v 0 4s o l i d s t a t el a s e r s i nc h a p t e r1 ，w ef i r s t l yr e v i e wt h eh i s t o r yo f d i o d e p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r sa n d g i v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h et h e o r yo fq s w i t c h e dm o d e - l o c k i n g s e c o n d l y , w e p r e s e n tt h ep r o p e r t i e so fn d ：g d v 0 4c r y s t a la n dc o m p a r ei tw i t hs e v e r a lc o m m o n l y u s e dl a s e rc r y s t a l s a san e wl a s e rm a t e r i a l ，n d ：o d v 0 4c r y s t a lh a st h ea d v a n t a g e s o f h i g h t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , l a r g e a b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o na n d w i d ee m i s s i o n b a n d w i d t ha n ds oo n ，w h i c hm a k et h en d ：g d v 0 4c r y s t a lm o r ec o m p e t e n tt h a ns o m e o t h e rl a s e rc r y s t a l s a n di nt h ef o l l o w i n gt h r e ec h a p t e r s ，w cd e m o n s t r a t et h r e e t e c h n i q u e st oo b t a i nq - s w i t c h e dm o d e l o c k e d ( o re wm o d e - l o c k e d ) l a s e r sp u l s e si n d i o d e - p u m p e dn d ：g d v 0 4s o l i d s t a t el a s e r s q s w i t c h e dm o d e l o c k i n gw i t hc r 4 1 ：y a gc r y s t a l s ：c r 4 + ：y a gp o s s e s s e st h e p r o p e r t i e so fg r o u n d s t a t es a t u r a b l ea b s o r p t i o n ( g s a ) a n de x i t e d s t a t es a t u r a b l e a b s o r p t i o n ( e s a ) a n dt h er e l a x a t i o nt i m e so fg s aa n de s aa l ei nt h er e g i o no f m i c r o s e c o n da n dp i c o s e c o n d ，r e s p e c t i v e l y t h o s ec h a r a c t e r i s t i c sc a nb ea p p l i e dt o c o n s t r u c tq s w i t c h e da n dm o d e l o c k e dl a s e r s i no u re x p e r i m e n t s ，w eo b t a i n e d3 2 2 w q s w i t c h e da n dm o d e l o c k e dl a s e ro u t p u ti nt h e1 0 6i - t m t h em o d u l a t i o nd e p t h a n dt h ep r o b a b i l i t yo f o b t a i n i n gc w m o d e l o c k i n ga r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a r t 3 、l ：导林泉； | ln d h ：g d v 0 4 激光中的调q 锁模技术 q - s w i t c h e dm o d e l o c k i n gw i t h 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 s ( s e s a m s ) ：s e s a m sh a v et w ok i n d so fr e s p o n s et i m e s ，w h i c hu s u a l l yl e a dt ot h e q - s w i t c h e dp u l s ee n v e l o p ei nt h el a s e r sm o d e - l o c k e db ys e s a m f h e r e f o r e ，s e s a m c a l lb eu s e dt oa c h i e v eq s w i t c h e dm o d e l o c k e dl a s e rp u l s e s i nt h ee x p e r i m e n t s ，w e o b t a i n e d3 5w q - s w i t c h e dm o d e - l o c k e da n d4 9wc wm o d e l o c k e dl a s e ro u t p u t s t h ep u l s ew i d t ho ft h ec wm o d e - l o c k e d p u l s ew a sm e a s u r e db yah o m e m a d e a u t o c o r r e l a t o rt ob e1i 5 p s t h ec o n d i t i o no ft r a n s f o r m i n gf r o mt h eq - s w i t c h e d m o d e l o c k e dt oc wm o d e l o c k e do p e r a t i o nw a sa l s od i s c u s s e di nt h i sp a r t s e l f - m o d e l o c k i n gi nn d ”：g d v 0 4l a s e r s ：w ea n a l y z e ds i m p l yt h em e t h o dt o a c h i e v es e l f - m o d e - l o c k i n g ，a n de x p e r i m e n t a l l yo b t a i n e ds e l f - m o d e - l o c k e dp u l s et r a i n i nt h en d ”：g d v 0 4l a s e nd u et ot h e l o n gu p p e r l e v e l l i f e t i m eo fn d ”i o n s t h e s e l f - m o d e - l o c k e dp u l s e st e n dt oc o n c e n t r a t e di nt h e s e l f - q s w i t c h e de n v e l o p e t h e r e f o r e ，i no u re x p e r i m e n t ，s e l f - q s w i t c h e ds e l f - m o d e l o c k e dl a s e rp u l s e sw e r e a c h i e v e d i nt h i s p a r t ，w ed i s c u s s e dm e t h o d st os u p p r e s st h es e l f - q s w i t c h e d e n v e l o p e sa n de x p e r i m e n t a l l yo b t a i n e ds t a b l ec ws e l f - m o d e 1 0 c k e dl a s e rp u l s e s k e y w o r d s ：n d 3 + ：g d v 0 4 ，s a t u r a b l ea b s o r b e lc r 4 + ：y a g , s e s a m ，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 s ，q s w i t c h e dm o d e l o c k i n g ，p a s s i v e q - s w i t c h i n g ，p a s s i v e m o d e l o c k i n g ，s e l f - m o d e l o c k i n g 4 ，卜岢件泉浦n d ”：g d v 0 4 激光巾帕谢q 锁摸技术 第一章半导体泵浦的n d 3 + ：g d v 0 4 固体激 光器 舞黼食t 本章的重点是套镪半导体裂浦的调q 锁模昀n g j ：g d v 0 4 固体 激光器包捂? 半导体激光器泵浦的固体激光器介绍、涌q 锁摸构理论以及 n 奢+ ：g d v 0 4 晶体的一些特翔：镎， 1 1 半导体泵浦的固体激光器简介 与传统的以闪光灯作为泵浦源的激光器相比，半导体泵浦的激光器具有结构 简单、转化效率商、热效应小、稳定性高、寿命k 、光束质量好等优点，所以半 导体激光器j f ：在逐渐取代传统的闪光灯成为激光器新的泵浦源。半导体泵浦的固 体激光嚣诞生于6 0 年代。早在1 9 6 2 年世界上第一台半导体激光器诞生之后不久， 科学家就将它用作于激光器的泵浦源。但是由丁当时、b 导体激光器制造工艺的缺 陷，使得半导体激光器存在输出功率比较小、使刚寿命4 i 够长等缺点，所以一直 没有得到大规模的应刑。从上世纪8 0 年代”贻，半导体激光器制造工艺飞速发 展使得半导体激光器输出功率和使川寿命等参数取得了臣大的提高。j 二足半导体 泵涌的全固态激光器( d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r d p s s l ) 逐渐为成为激 光器新的发展方向。 与其他激光器相比半导体激光器典有自已系列的特点，例如：( 1 ) 效率 高，调制简单，工作寿命长。出于半导体激光器足直接将电源的注入电流转换成 激光的，电光转化效率很高，可以达到3 0 以上。半导体激光器可以在连续方 式工作，也可以在商重复频率下以脉冲方式j ：作。、卜导体激光器的调制非常简单， 只要改变电流的频率和幅度就可以直接对输出激光进行频率和幅度的调制。调制 频率已达到g h z 以 ：，响应时间小| 二i n s 。( 2 ) 光谱l ，j 渊谐范幽窳。改变半导体 激光器材料的元素种类和组成成分即可改变波长。日前已制成的半导体激光器从 可见光( 5 9 0 7 8 0 n m ) 、近红外( 7 8 0 9 1 0 n m ) 到远红外( 1 3 0 p m ) 均实现了受激辐 5 、卜甘件泉洲n d ”：g d v 0 4 激光r | 1 的删q 锁摸技术 射输出。( 3 ) 发射线宽窄。一般的半导体激光器的发刺线宽可以小于2 ，5 n m 。所 以，如果用半导体激光器作为其他激光器的泵浦源，半导体激光器的发射波k 可 以方便的调谐到激光介质的吸收峰，与传统的闪光灯泵浦的激光器相比，这样可 以大大地提高光光转化效率。一般的半导体激光器泵浦的j 删体激光器的效率都可 以达到2 0 以上，高的可以达到6 0 以上。 但是半导体激光器也有自己的4 i 足：半导体激光器发射1 9 i i i f l ；j 两个j f 交的方 向上的发散角是不一样的而且差别比较大，这就导致了半导体激光器光束质量 不好，这也是半导体激光器最大的不足之处。但足以、卜导体激光器泵浦的固体激 光器却可以兼顾好的光束质量和商的转化效率的优，扎这足因为半导体激光器的 发射谱线很窄的特性使得它非常适合作为别的激光器的泵浦源。于是以半导体激 光器作为泵浦源的固体激光器逐渐替代传统的泵浦方式继续推动激光器发展。 1 2 调q 锁模的理论介绍 因为脉冲激光持续时问短、峰值功率商，1 1 ：j ：激光发l 儿乙石脉冲激光器就立刻 引起了人们的注意。获得更高的峰值功率、更短的持续州州的激光脉冲至今仍然 o u l t p u l c o u p l c l a s c l r e s o l l a | 0 1 1 f i g 1 1 睬冲激光器结构示意图 要的两种方法。 l i i 垃n l t c l l c c l o l 是激光技 术发展的 主要方向 之一。迄今 为止，调q 和锁模技 术是获得 脉冲激光 的最常见 也是最主 脉冲激光器的原理可以如f i g 1 1 结构图所示，激光腔内包括增益和损耗元 6 舀幽 ，卜导休求 1 1 jn d l ：g d v o 。激光中的调o 锁横技术 件。 1 2 1 调q 在损耗调制速度比较低( 般小于m h z ) 的时候，一般可以获得调q 的脉 冲输出。根据损耗元件的工作方式不同，调q 激光器可以分为主动调q 激光器 和被动调q 激光器。主动调q 的方法主要有电光调q 、声光凋q 薷l 转镜调q 等。 被动调q 一般是采用具有可饱和吸收特性的材料( 例如：b d n 染料、l i f ：f 2 色 心晶体等) ，也可以利用晶体本身的非线性效应实现【1 ，2 】。调q 的基本原理为： 大部分的时问激光腔内的损耗都大于增益，没有激光输出，此时泵浦的能量被储 存在激光增益介质中。在很短的时问内损耗降低，此时激光腔内的增益大于损耗， 于是存储的能量转化为脉冲激光输出。通过调q 方式获得的脉冲激光的宽度一 般在n s 量级( 短的也可以达到几十p s 量级，可以参见本论文中下一章的用 s e s a m 锁模的章节) 。 1 2 2 锁模 当损耗调制速度比较高( 一般为几十到几百m l t z 量级) 并且调制频率与激 光脉冲在激光腔的往返时间相当的时候，一般可以获得锁模的脉冲输出。同样的 根据损耗元件的工作方式不同，锁模激光器也可以分为主动锁模激光器和被动锁 模激光器。主动锁模技术是指腔内的损耗是通过外加调制控制的，般是通过声 光晶体。因为外加调制的时恻很难缩短，所以获得短的输出脉冲宽度很困难( 一 般不小于5 0 p s ) 。被动锁模的实现般是通过在激光腔内添加一个可饱和吸收体， 当激光脉冲比较弱的时候，损耗比较大。而当激光脉冲强度较高的时候，可饱和 吸收体将会被漂白，使得对激光的吸收减小，这个时候增益大于损耗，得到激光 脉冲输出。被动锁模可以通过采用上能级寿命短的可饱和吸收材料来实现，也可 以利用一些非线性效应。利用非线性效应最主要的例子就是克尔锁模【3 5 】和倍频 非线性镜( f r e q u e n c y - d o u b l i n gn o n l i n e a rm i r r o r ) 锁模【6 8 】。 如f i g 1 1 所示，锁模激光器的原理般是在激光腔内添加增益和损耗元件。 腔内损耗元件提供一个周期与激光脉冲在腔内往返时问相当的调制。输出镜将激 7 、t - 导体泉f f | in d ”：g d v 0 4 激光中的调q 锁模技术 光腔内的能量部分输出，这样就得到了锁模激光脉i t | ；i 。获得的锁模脉冲在时间上 是等间隔分布的，它的重复频率是与损耗调制的频率是一致的，即： 厶，= v g 1 2 l ( 公式1 1 、) 其m i ，v g 为群速度( 即为脉冲包络的运动速度) ，为激光腔的长度。( 此表 达式适用于驻波腔，如果环行腔则分母上为1 0 。 1 2 3 调q 锁模 调q 和锁模技术都是获得短脉冲和高峰值功率的方法。为了获得高的峰值功 f i g 1 2 诵q 锁挨s 连续锁模对照示意图， 率还可以将调q 和锁模技术结合 使用。连续锁模和 调q 锁模的示意 图可以如图 f i g 1 2 所示。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 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 器件和锁模的器件来获得。但是也可以通过一个器 件来获得，这便是本论文的主要内容之一。本沦文的重点就是为获得高的峰值功 率而进行的调q 锁模及其相关内容的研究。使用不同的器件进行调q 锁模的内 容将在后面的章节中介绍( 第二章用c r 4 + ：y a g ，第：章用s e s a m ，第四章采用 自锁模) ，并且对抑制调q 包络以获得稳定的连续锁模的内容进行了讨论。 8 半甘休身之浦n d ：g d v o 。激光中的州q 锁模技术 1 3n d 3 + ：g d v 0 4 晶体介绍 1 3 1 激光晶体介绍 应用的最广1 泛的的固体激光增益介质就是掺杂r 激活粒子的玻璃或者晶体。 般玻璃激光增益介质的自身缺陷比较严重，使得激光器的阈值比较高，而且玻 璃的散热性能也不太能够令人满意，所以人们研制“1 了择利t 各样的激光品体作为 激光增益介质。( 但是玻璃激光增益介质也有自身的优点，例如容易制成大尺 寸可以用在大功率的激光器和放大器中，比如美网的n i f 装罱。同时玻璃增益 介质的自身结构缺陷也造成了发射谱的展宽，宽的发射谱对于锁模激光器来说是 非常有利的。例如：常用的掺杂钕离子的晶体，发射谱一般都比较窄，约为零点 几个纳米到2 个纳米之问，这样窄的增益带宽是不利于或者不能够产生超短激光 脉冲的。但是掺杂钕离子的玻璃的增益带宽要宽得多，所以可以用来产生飞秒脉 冲【9 】。) 因为品体激光增茄介质的窄问结构般都怒规则的，所以与玻璃激光增益介 质相比，晶体激光增益介质具有自身的优点：很多晶体材料具有火的吸收截面 ( a b s o r p t i o nc m s s - s e c t i o n ) 和吸收系数( a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ) ，这可以更好的利用泵 浦光，而且很多晶体的发射截面( e m i s s i o nc r o s s s e c t i o n ) 也比较大，这使得激光 器的阈值比较低。此外，晶体的散热性能也一般比玻璃材料要好，大多数晶体的 物理和光学特性也非常好。这些优点使得以晶体为增益介质的激光器在激光器领 域占据了举足轻重的地位。不同的晶体具有不同的特性，人们已经根据不同的需 要研制出了不同的晶体。以掺杂n d 3 + 的j l 种不同的晶体为例c 兑明，n d 3 + ：y a g 、 n d 3 + ：y v 0 4 是两种常用的晶体。n d ”：y a g 的吸收截面比较小( 0 7 1 0 - 1 9 c m 2 ) ， 要很好的利用泵浦光就需要比较长的晶体，这不利1 二模式匹配而且也要增加激光 器的成本。n d 3 + ：y v 0 4 晶体是一个不错的选择，因为它的吸收截面( 2 7 l o ? c m 2 ) 是n d ”：y a g 的4 倍。但是n d ”：y v o d 品体是不能胜任大功率激光器来的，因为 这种晶体的散热性能不是很好，当功率高的时候会有比较强的热透镜、热致双折 射效应，更高的功率还会导致n d 3 + ：y v 0 4 砖裂。n d ”：g d v 0 4 晶体兼有导热性能 高、吸收截面大的优点，这就使得n d 3 + ：g d v 0 4 品体比n d ：y a g 和n d ：y v o 。更具 9 半导体泉洲n d ：g d v 0 4 激光中的调q 锁模技术 有竞争力，有取代这两种晶体的潜力。并且n d ”：g d v 0 4 的发射带宽也要比 n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 的发射带宽宽得多，这对于构建镄模激光器来说是非常有 利的。因为产生的锁模脉冲的可能的最短脉冲宽度是与发射带宽成反比的。 n d 3 + ：g d v 0 4 晶体是1 9 9 2 年俄罗斯a iz a g u m e n n y i 等人首先报道的【1 0 】， n d 3 + ：g d v o 。晶体和n d 3 + ：y v 0 4 晶体属于同种结构，其空间点群属于1 4 a m d 。 n d 3 + ：g d v 0 4 晶体与n d 3 + ：y v 0 4 和n d 3 十：y a g 晶体相比具有很多优点。所以， n d 3 + ：g d v 0 4 晶体已经引起了科研工作者和很多产业界的兴趣。下面就分别介绍 一下n d 3 + ：g d v 0 4 品体的一些相关特性。 1 3 2n d 3 + ：g d v 0 4 晶体的生长方式 同n d 3 + ：y v 0 4 品体一样，n d ”：o d v 0 4 品体的生长一般采用提拉法 ( c z o e h r a l s k i ) 相关的内容可以参照文献【l l 1 3 】，现在简述如下： 提拉法也被叫做引上法。是晶体生长普遍采卅一利t 的方法，具体方式为：首 先要有籽晶，然后把品体化学材料混合物放在坩蜗加热熔化，在合适的温度下， 让籽晶接触到波面上。就象钓鱼一样，使晶体首先在籽晶的末端成核生长。然后 让籽晶边旋转边慢慢向上提拉。并且不断地进行温度调节，晶体即从籽品末端开 始，从小到大逐渐成长【1 l 】。 n d ：g d v 0 4 的生长方法：采用纯度均为9 9 9 9 以上的n d 2 0 3 ，g d 2 0 3 和v 2 0 5 化学试剂为原料，将以上三种原料按彳：刷的比例分j j 【称取( 不同的n d 掺杂浓度 时，配比不同) ，混合均匀，压成块后放入臼金坩埚中，在8 5 0 0 c 下灼烧7 1 0 h ， 通过固相反应合成n d ：g d v 0 4 多品。将烧结好的多- 蜀料霄于自会坩埚中，采用2 k h z 的中频感应加热引上法，在n 2 + 0 2 气氛下( 充n 2 作保护气氛，加入适量的 0 9 的单晶炉中生长，用方形的a 轴或者c 轴的n d ：g d v 0 4 作为籽晶，晶体转速 为1 0 3 0r r a i n ，提拉速度为l m m h 。 生长结束后，晶体按照1 5 0 。c 2 0 0 0 c h 的速率降至室温。最后得到无宏观缺陷均匀透明的n d ：g d v 0 4 晶体。f 1 2 ，1 3 1 l o 半导体泉湘n d ：g d v o 。激光中韵调q 锁模技术 1 3 3n d ：g d v 0 4 晶体的特性 本部分内容介绍n d ：o d v 0 4 的性质，作为比较也给出另外一些常用晶体的特 性，列在本章未尾所附的表格中。 1 3 3 1 晶格参数 将生长出的n d ：g d v 0 4 单晶研磨成粉术作为x 射线衍射实验的试样，利用x 射线粉末衍射数据可以计算出n d ：g d v 0 4 晶体的晶胞参数，分别为a = b = 0 7 2 1 2 1 r i m ，c = 0 6 3 5 0 1n n l 。晶体中n d 离子的浓度可以用x 劓线荧光分析测量。 1 3 3 2 吸收谱 n d ：g d v 0 4 晶体最主要的吸收峰集中在8 0 8n m 附近，吸收截面为 7 6 1 0 。9 e m 2 ，这比n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 的吸收截丽要火得多。对于掺杂浓度为 i 的晶体( 离子浓度大约为1 0 2 m 。) 的吸收系数为7 6 c m 。但是需要指出的是， 虽然n d ：g d v 0 4 的散热很好，但是使用8 0 8 n m 激光泵浦的时候n d ：g d v 0 4 的热效 应却仍然是不可避免的。通过采用掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r et i ：s ) 激光器在8 7 9 n m 的输出光作为泵浦源便可以克服这个缺点，而且报道的斜效率高达7 8 和 8 0 1 6 ，1 7 。n d ：g d v 0 4 的吸收带宽( 1 6n m ) 比n d ：y v 0 4 ( 2r i m ) 略窄 1 3 】， 这是n d ：g d v o 。的不足之处。 1 3 3 3 发射谱 n d ：g d v 0 4 的发射潜( 1 2 5r i m ) 【1 3 】比n d ：y v 0 4 ( 0 8r i m ) 和n d ：y a g ( o 4 5 r i m ) 【1 8 】的宽，这个特性对于锁模是非常有利的。n d ：g d v 0 4 的发射截面，上能 级寿命等都与n d ：y v 0 4 的差不多。具体数值可以参照下表1 或者参照相关文献。 1 3 3 4 导热性能 n d ：g d v 0 4 的导热性能非常好，( 沿着 方向的导热系数可以达到 1 1 7 w m k 2 1 ， 方向为1 1 4 w m k 2 0 】) 近似f 二n d ：y a g 的导热率，比 卜导体泉i | in d ”：g d v o 。激光中的调q 锁模技术 n d ：y v 0 4 的导热率离一倍。高导热率的激光晶体是构造大功率激光器的必要条 件。n d ：g d v 0 4 的导热率比n d ：y v 0 4 商，原因是n d ：g d v 0 4 中g d ”离子的有效 半径与n d 3 + 离子的有效半径更接近【1 9 】。 1 4 本章总结： 本章简要的回顾了半导体泵浦的固体激光器的发展历史，简单介绍了调q 锁模的理论，介绍了一种新型的激光晶体n d ：g d v 0 4 晶体。n d ：g d v 0 4 晶体的一 些具体的参数，比如，吸收截面、发射截面等，可以参照表1 及相关文献。作为 比较，表1 同时列出了其它几利一品体( = l 三要是最常川的n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 晶 体) 的参数。 1 2 半导体泵沛n d h ：g d v 0 4 激光中的调q 锁模技术 附：表i k 力 n d ”：g d v o dn d 3 4y v 0 4 n d 3 + ：y a g 学 叭 劈l 辫 空间结构 t e t r a g o n a l 四方t e t r a g o n a l 渊方 c u b i c 立方 点群 1 4 d a m d1 4 i a m d 品格常数 n m a = b - - - o 7 2l ia = b = 0 7 2 2 3a = b = c - - 0 1 2 0 一 e = o 6 3 5 0 1 1 0 jc = 0 6 2 9 i 1 0 】 吸收截面 1 0 9 5 2 ( e c ) 【1 3 】2 7 ( e c ) 【l3 】0 7 1 1 3 】 c m 24 9 ( 无偏振选择) 吸收带宽 n m 1 6 8 0 8 4 1 3 】2 8 0 8 5 113 】o 9 1 1 3 】 发射波长 n m 1 0 6 2 9 1 3 41 0 6 4 31 0 6 4 发射带宽 n m 1 2 5 ( 2 3 3 0 g h z ) 1 o 8 【1 8 】0 4 5 1 18 】 0 6 9 m 2 1 5 ( 2 3 6 0 g h z ) i 3 4 p m 13 】 发射截面 + i o - i 9 o # 1 0 6 = 6 1 2 【f 4 1 c m 2 0 1 t 0 6 2 3 【1 0 】8 1 5 】 0 10 6 。7 6 【1 3 】 密度 g c m 5 4 74 2 2 4 5 6 奠氏硬度 4 - 5 ( g a l s s l i k e ) 8 5 热涨系数 + 1 0 6 ， ( 1 a = l 、5t i l t = 2 2 7 8x1 0 6 k 【1 1 1 ， k t i c 27 3 【1 2 】 旺c = 8 4 【1 2 】 0 2 5 0 。c 折射率 n o 1 0 6 4 = i 9 7 2n o = 1 9 5 7 3 ；1 1 c = 1 8 2 ( 1 0m ) n 。 1 0 6 4 = 2 1 9 2 2 1 6 5 2 1 0 6 4r i m s e l l m e i e r i 1 0 2 = 3 8 2 3 5 5 7 1 1 0 = 3 7 7 8 3 + 公式 0 0 7 5 7 4 6 ( 丸2 o 0 6 9 7 ( u o 0 4 7 2 ) 0 0 3 9 5 4 3 ) 一o 0 1 0 8 r 0 0 0 5 】4 8 舻 n r = 4 5 9 9 】+ n e 2 = 4 7 0 8 5 1 8 + o 1 l o s “x 2 0 0 4 8 1 ) o 11 5 4 6 6 ( k 2 一0 0 1 2 3 r 0 0 5 0 t 3 6 ) 0 0 1 0 3 1 0 ) , 2 1 2 0 导热率 w | m | 1 1 7 ( 沿 ) 2 1 】 5 2 3 ( c )1 4 k 1 】4 ( 沿 ) f 2 0 】 5 1 0 ( 上c ) 荧光寿命 m s 9 0 1 1 4 】 11o ( o 4 ) ，9 7 ( 1 o 2 3 0 l o o 1 5 】 ) ，6 3 ( 2 0 ) 9 5 15 】 ! ! 壁丛型堕型型型业盟业 参考文献： 1 b c w e b e r ，a h i r t h “e f f i c i e n ts i n g l e p n l s ee m i s s i o n w i t hs u b m i c r o s e c o n d d u r a t i o nf r o ma c r ：l i s a fl a s e r ”o p t c o m m 1 2 8 ，1 5 8 ( 1 9 9 6 ) 2 m c m a r c o n i ，o e m a r t i n e z ，a n df p d i o d a t i q s w i t c h i n gb y s e l f - f o c u s i n g o p t l e t t 1 0 ，4 0 2 ( 19 8 5 ) 3 d e s p e n c e ，en k e a n ，a n dw s i b b e t “6 0 一f s e cp u l s eg e n e r a t i o nf r o ma s e l f - m o d e - l o c k e dt i ：s a p p h i r el a s e r ”o p t l e t t ：1 6 ，4 2 ( 19 91 ) 4 h l i u ，j n e e s ，a n dgm o u r o u “d i o d e p u m p e d k e r r - l e n sm o d e l o c k e d y b ：k y ( w o4 ) 2l a s e r ”o p t l e t t 2 6 ，1 7 2 3 ( 2 0 0 1 ) 5 vp e t r o v , u g r i e b n e r , d e h r ta n dw s e e b e r “f e m t o s e c o n ds e l fm o d el o c k i n g o f y bf l u o r i d ep h o s p h a t eg l a s sl a s e r ”o p t l e t t 2 2 ，4 0 8 ( 1 9 9 7 ) ， 6 k a s t a n k o v a p p l p h y s b4 5 ，1 9 1 ( 1 9 8 8 ) 7 a a m a n ie ta 1 “a 1 1 s o l i d s t a t e1 2p sa c t i v e l yp a s s i v e l ym o d e l o c k e dp u l s e d n d ：y a gl a s e ru s i n gan o n l i n e a rm i r r o r ”a p p l p h y s l e t t 7 5 ，3 0 6 6 ( 19 9 9 ) 8 k a s t a n k o v “m o d el o c k i n gb yaf r e q u e n c y - d o u b l i n gc r y s t a l ：g e n e r a t i o no f t r a n s f o r m 1 i m i t e du l t r a s h o al i g h tp u l s e s ”o p t l e t t 1 4 ，3 5 9 ( 1 9 8 9 ) 9 u k e l l e r ，t h c h i u ，j f f e r g u s o n “s e l f - s t a r t i n gf e m t o s e c o n dm o d e l o c k e d n d ：g l a s sl a s e rt h a ta s e si n t r a e a v i t ys a t u r a b l ea b s o r b e r s ”o p t l e t t ，1 8 ，i p 7 7 ( 1 9 9 3 ) 10 a i z a g u m e n n y i v g o s t r o u m o v ，i a s h c h e r b a k o v ，t j e n s e n ，j p m e y e n ，g h u b e r n d ：g d v 0 4c r y s t a l ：an e wm a t e r i a lf o rd i o d e p u m p e dl a s e r s ”s o y j q u a n t u me l e c t r o n 2