（光学专业论文）ld泵浦全固态蓝光激光器研究.pdfVIP

摘要 l d 泵浦固体激光器是目前固体激光技术领域研究的热点。目前的l d 泵浦固 体绿光激光器技术已发展很成熟，瓦级的绿光激光器产品在国内外市场已不稀 奇，而全固态蓝光激光器由于功率等因素的限制，其产品并不多见，且已有的低 功率产品的应用面很有限。针对这一技术难题，我们也加入到l d 泵浦蓝光激光 器的研制行列，期望做些有用的探索。 本实验项目出于产业化的考虑，采用了有望获得较高蓝光输出的n d ：y a g 激 光晶体，该晶体的准三能级激光通过倍频可得到4 7 3 n m 蓝色激光。针对准三能 级跃迁，本文分析了其理论基础，即钕离子的准三能级跃迁的速率方程以及由此 模型推出的影响准三能级光振荡的诸参数。得到了准三能级阈值表达式和泵浦光 和振荡光的光场分布函数，得到了影响斜效率的诸因素之间的微妙关系，从而给 出可指导准三能级谐振腔设计的一些有用结论。 总结了三种用于蓝光的倍频晶体：b b o 晶体，l b o 晶体和b i b o 晶体。给出 并对比了它们的影响倍频效率的光学参数，着重考察了新型倍频晶体b i b o 的倍 频特性，还分析计算了影响倍频效率的角度偏移、温度偏移和光谱偏移等诸因素。 我们使用折叠腔，并以a b c d 矩阵为工具，计算了g 参数等效折叠腔的高斯光 束传播特性。考虑到高功率泵浦时的热透镜效应，计算了含热透镜的多元件谐振 腔的振荡光束参数。针对折叠腔的像散，推出了常用的一种腔内插入布氏片的像 散补偿方法。 最后，根据以上理论基础和实验元器件的对比分析，选择了一组实验器件并 搭建v 型折叠腔进行了腔内倍频蓝光实验，获得了最高达到1 5 4 m w 的4 7 3 n m 蓝色激光输出。同时用计算机绘出了在考虑像散情况下诸光束参数随热焦距的变 化曲线。针对输出光束功率低及光束质量不好的问题进行探索性测量并分析了可 能的原因。 关键词：全固态，蓝光激光器，腔内倍频，准三能级，折叠腔，b i b o a b s t r a c t l d - p u m p e da l l s o l i d - s t a t el a s e ri sah o tf i e l di nc u r r e n ts o l i ds t a t el a s e rr e s e a r c h l d - p u m p e da l l - s o l i d - s t a t eg r e e nl a s e ri sr e l a t i v em a t u r ea n di ti sn o tr a r et of i n dg r e e n l a s e rw i mo u t p u tp o w e ra b o v ei w h o w e v e r , f e wa l l s o l i d - s t a t eb l u el a s e r sc o u l db e f o u n di nm a r k e tb e c a u s eo fi t sl o w o u t p u tp o w e r , w h i c hc o n f i n e si t sa p p l i c a t i o n f o r t h i st e c h n i c a ld i f f i c u l t yi na l l - s o l i d s t a t eb l u el a s e r , w ej o i nt h er e s e a r c hl i n e ，h o p i n g t op r e s e n ts o m eu s e f u le x p l o r a t i o n c o n s i d e r i n gt h ei n d u s t r i a l i z a t i o n ，w ec h o o s et h en d ：y a gl a s e rc r y s t a l ，w h i c hi s h o p e f u l t o g i v er e l a t i v e l yh i g ho u t p u tp o w e ro f4 7 3 n mb l u e l a s e r t h r o u g h f r e q u e n c y - d o u b l i n gt e c h n i q u e t h eq u a s i - t h r e e - l e v e lt r a n s i t i o nw o u l db eu s e di no u r e x p e r i m e n t ，s o w e a n a l y z e t h e t h e o r y o f q u a s i - t h r e e - l e v e l ，a c c u r a t e l y , t h e q u a s i - t h r e e - l e v e lt r a n s i t i o no fn d ”w ed e r i v e dt h ee q u a t i o no ft h r e s h o l dp u m p p o w e r ，t h ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o no fl a s e rf i e l da n ds o m eo t h e ri t e m st h a tr e l a t e dw i l l l l a s e rr e s o n a t i n g a l lo f t h e s em i g h tg i v eu ss o m eh e l p f u lc o n c l u s i o n si na i do f t h el a s e r r e s o n a t o rd e s i g n a t t r i b u t e so ft h r e en o n l i n e a r c r y s t a l s ，b b o ，l b oa n db i b o ，h a v eb e e n s u m m a r i z e d t h e i ro p t i c a lp a r a m e t e r sr e l a t e dt o 丘e q u e n c y - d o u b l i n ge f f i c i e n c yw e r e p r e s e n t e da n dc o m p a r e d h e r ew ee m p h a s i z e dt h eb i b oc r y s t a l t h ea n g l e - d e v i a t i o n ， t e m p e r a t u r e - d e v i a t i o na n dw a v e l e n g t h - d e v i a t i o na l s ow e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d w ep l a nt ou s ef o l d i n gc a v i t yi no u re x p e r i m e n t ，s ow ee m p l o y e dt h ea b c dt h e o r yt o c a l c u l a t e t h eg a u s sl a s e rb e a mc h a r a c t e r si ne q u i v a l e n tg p a r a m e t e rc a v i t y a sh e a t e f f e c te x i s t s ，s o m el a s e rb e a mp a r a m e t e r sw e r ed e r i v e df o rm u l t i e l e m e n tc a v i t yw i t h at h e r m a ll e n sw i t h i n i na d d i t i o n ，ac o m m o nm e t h o df o ra s t i g m a t i cc o m p e n s a t i o nw a s i n 仃o d u c e dw h e na l l o wf o rf o l d i n gc a v i t y sa s t i g m a t i o n f i n a l l y , w es e tu pav - t y p er e s o n a t o rf o ri n t r o c a v i t y 丘e q u e n c y - d o u b l i n gb l u el a s e r e x p e r i m e n ta c c o r d i n gt ot h ea b o v eq u a s i - t h r e e - l e v e lt h e o r i e sa sw e l la sa n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no fn e c e s s a r ya p p a r a t u s i nt h ee x p e r i m e n t ，w eo b t a i n e d15 4 m w4 7 3 n m b l u el a s e r b yu s eo fc o m p u t e r , w ec a l c u l a t e da n dp l o r e dt h el a s e rb e a mp a r a m e t e r s c u r v e sv e r s u st h e r m a ll e n sw i t h a s t i g m a t i o n t a k e ni n t o a c c o u n t a l s o ，s o m e i i e x p l o r a t o r yt e s t sh a v eb e e ne a r r i e do u tt of i n dt h er e a s o nf o rl o wo u t p u tp o w e ro fb l u e l a s e ra n di t sp o o rl a s e rb e a m q u a l i t y , a f t e rt h a t ，w ep r e s e n t e dt h ep o s s i b l ee x p l a n a t i o n k e yw o r d s ：a l l - s o l i d - s t a t e ， b l u el a s e r , i n t r o c a v i t yf r e q u e n c y d o u b l i n g ， q u a s i t h r e e l e v e l ，b i b o i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 y7 9 6 7 5 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。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。学校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，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：堑皇 a 0 0 5 年6 月6 日 指导教师签名：叁堕 洳s 年占具 b 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：杨直 如5 年6 月6 日 采镦擎零勿垒父公希“， 第一章绪论 激光是二十世纪的重大发明之一，在它发明后的十几年里相继研制出氦氖气 体激光器、钕玻璃激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、化学激光器、n d ：y a g 激光器、染料激光器、准分子激光器、自由电子激光器等。目前激光科学已发展 成现代科学技术研究的一个重要分支，成为二十一世纪的前沿学科，而且它直接 促进了出了非线性光学、量子光学、信息光学、激光生物学、激光化学、激光光 谱学等相关科学的发展。激光以它高亮度、良好的方向性和相干性及单色性使它 的应用渗透到了工业、科研、医学、生物、教育、娱乐、通讯等诸多领域。 1 1 固体激光器及l d p s s l 的特点 1 9 6 0 年问世的第一台激光器是固体红宝石激光器。4 0 多年来，固体激光器 及技术获得的迅速发展。目前，能产生激光的工作物质达数百种，激光器输出的 能量和功率都获得了迅速的提高。固体激光器的主要特点是：( 1 ) 运行方式多样。 可在连续、脉冲、调q 及锁模下运行，分别获得高平均功率、高重复率、高单脉 冲能量及高峰值功率。( 2 ) 能获得激光运转的固体工作物质多达数百种，激光谱 线达数千条，多分布于可见光及近红外光区。( 3 ) 固体激光器导光系统简单，容 易制作。( 4 ) 固体激光器结构紧凑、牢固耐用、价格适宜。 固体激光器的泵浦光源的主要目的是，将电能高效率地转化为辐射能，并在 一定的光谱带中产生高辐射强度，其中最有效的泵浦是使激光材料在荧光波长处 有最大的发射，而在有效吸收带之外的所有光谱区产生最小的发射。在各种泵浦 源中使用最多的是闪光灯、连续弧光灯和激光二极管泵浦，闪光灯及弧光灯由于 发射的光谱宽，而固体激光介质的吸收带很窄，因而电光转换效率低。与灯泵浦 源相比，l d 泵浦易于用温度调谐来改变发射波长，使其与激活离子的吸收峰值 相吻合，模匹配有效和泵浦功率密度高，因而半导体激光二极管泵浦的固体激光 器( l d p s s l ) 体积小、重量轻、结构紧凑、寿命长( 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 h ) ，l d 作为固 体激光器的泵浦源，已成为今后的主要发展方向。 激光二极管泵浦的主要属性如下0 1 ： ( 1 ) 提高了系统的效率。与闪光灯的发射效率相比，在8 0 8 n m 时，激光二 极管的发射带与钕吸收带之间存在很好的光谱匹配，从而产生很高的泵 浦效率。事实上，闪光灯的辐射输出能量与输入电能之间的转换效率 ( 7 0 ) 高于激光二极管的辐射输出能量与输入电能的效率( 2 6 5 0 9 6 ) 然而，不同钕吸收带的吸收只是灯辐射能量的一小部分。但激光二极管 的输出波长是可以选择的，在特定固体激光器中，可以使其全部处于吸 收带中。 ( 2 ) 延长了元件的寿命。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。 ( 3 ) 改善了光束质量。激光二极管泵浦激光器的发射和长波长钕吸收带之间 的光谱匹配减少了激光材料积聚的热量，从而降低了热透镜效应，进而 改善了光束质量。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 ) 增大了脉冲重复率。准连续激光二极管除了具有闪光灯和连续弧光灯的 低重复率和连续运转特性外，还能够允许固体激光器在几百赫兹到几千 赫兹的重复率范围内产生脉冲运转。 ( 5 ) 有利于健康。由于没有弧光灯泵浦中出现的高压脉冲、高温和紫外辐射， 所以激光二极管泵浦的系统是有利于健康的。此外，灯泵浦系统的大量 紫外线与高泵浦光强使泵浦腔和冷却水出现衰变，进而使系统功能衰 退，产生了维护要求。而激光二极管泵浦源从根本上消除了这些问题。 ( 6 ) 实现了激光系统的紧凑性、多功能性。与灯泵浦源不同的是，激光二 极管输出光束的方向性和小发射角，使得有可能是计出新型固体激光 器，如端面泵浦系统、微芯片激光器和光纤激光器等。泵浦源输出光束 在形状和向激光介质传播上的灵活性，为发明新型泵浦结构和设计构造 提供了极好的机会。 ( 7 ) 有利于新型激光材料的应用。激光二极管泵浦的大多数激光材料也能够 2 用闪光灯泵浦。然而，很多非常有用的材料如n d ：y v 0 4 、y b ：y a g 和t m ：y a g 等，只在激光二极管的泵浦作用下才能显示出优势。 l d p s s l 分端面( 纵向) 和侧面( 横向) 两种泵浦方式。 端面泵浦的优点是装置简单，泵浦光束与谐振腔模匹配良好，增益介质对泵 浦光的吸收十分充分，激光输出易实现t e m 0 0 模。因而，阈值泵浦功率低，斜效 率高。但是对于端面泵浦，介质中的热效应也更复杂。在破坏阈值以下，热形变 及应力双折射大大降低了激光的输出特性，热形变导致热聚焦和球差，热致球差 会严重影响输出光功率和光束质量；热致双折射会导致退偏和使输出光斑分布强 度不均匀。 侧面泵浦方式热效应比端泵浦小，并可充分利用激活区，获得高功率输出， 而且，结构比较简单，甚至可以不用耦合光学系统直接泵浦。但是，测泵浦转换 效率比端面泵浦低，且一般为多模输出，应采用专门措施以提高光束质量。 1 2 蓝光激光器的研究背景 目前激光行业中对于5 3 2 n m 绿色激光的获得已有了相当成熟的技术，绿光的功 率及光束质量可满足诸多不同行业的应用需要。自然地，人们提出了对更短波长 的蓝色激光的需求。蓝色激光具有广阔的应用前景： ( 1 ) 高密度光存储。与目前常用作光源的7 8 0 n ml d 相比较，蓝色激光其优点 是波长短，衍射效应小，分辨率高，光点面积小。光盘的存储密度与光源 波长成反比，所以若采用适合蓝光的新的编码技术，则可提高存储密度近 一个数量级。 ( 2 ) 数字视频技术。全固体蓝激光器最令人鼓舞的应用是用作数字视频领域 中cd r o m 、cd 及d v d 等的光源。蓝光取代红光是一种必然( 现行 dvd 机都是使用红色激光器) ，因为蓝光容量大，能存储2 0 多gb 的数 据( 红光只能记录4 7 gb ) ，能把高质量、高清晰的图像轻而易举地放进 去。据东芝公司多媒体实验室的a k i t o i w a m o t o 宣称，预计于2 0 0 5 年推出 以蓝激光为光源的只读数字视盘( dvd r0m ) ，在适当改善光学系统 数值孔径和数字处理电路的性能后，其容量能够达到目前以6 3 5nm 红光 ld 为光源的cd r o m 的7 倍以上。 彩色激光显示。红绿蓝激光器是彩色显示的三原色光源，与传统电子管 的彩色显示相比，彩色激光显示具有较宽的色彩范围和亮度。高亮度的蓝 色激光器和发展相对成熟的红绿激光器一起，作为彩色显示的全固体标准 三原色光源。这种新型激光光源，光束质量高，效率高( 与荧光光源相比) ， 而且更加忠实于自然光，能够消除荧光光源产生的绿影和白炽光源产生的 黄影，实现三原色的平衡。 海洋水色、海洋资源探测及水下通讯。4 0 0 5 0 0 n m 之间的蓝色激光光源 是感知海洋水色的有利武器，可用于探测海洋渔业资源。另外蓝绿波段是 海洋的水下传输窗口，可用于水下通讯。 激光制冷。蓝色激光可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，消除热振动引 起的多普勒加宽，为光谱线的精确测定提供保证。 医学应用。小型蓝绿激光器可用于流动血球计数，另外蓝色光源可用于 癌症的早期荧光检测以及检测生物分子特性的高灵敏度小型激光拉曼光 谱仪。 激光娱乐。快速运动的激光束与立体声音等组成特殊效应和气氛用于娱 乐和舞台表演中。随着全固体激光产品的发展和价格的下降，全固体绿激 光器已进入激光娱乐市场，市场销量逐年增加。全固体蓝激光器具有全固 体激光器的所有特点和不同的色彩，尤其在暗背景下，表现了与绿光不同 的艳丽颜色。因此，随着市场销量的上升和价格的下降，具有结构紧凑， 使用方便和色彩鲜艳等特点的全固体蓝激光器将会大批量地进入激光娱 乐市场，并与其他颜色组合将使激光娱乐业具有更多的颜色选择。 1 3 获得蓝光的方法 ( 1 ) 直接发射蓝光的半导体激光器 由于结构简单、使用方便、电光转换效率高，能够直接发射蓝光的l d 一直 受到人们的关注。早在1 9 9 0 年，入似便开始了对半导体材料z n s e 的研究，1 9 9 6 年日本索尼公司采用单量子阱激活层分别限制双异质结结构在常温下实现了 ) ) ) ) ) h 5 1 5 nm 的蓝光发射，输出功率l m w ，连续工作了1 0 0 h ，。然而在生长过程中p n 结内形成的缺陷在高阈值电流、高结温环境下迅速扩散，使其寿命难咀大幅度 提高，距离商品化的1 0 0 0 0h 的目标相距甚远。推进半导体蓝光二极管商品化进 程最有贡献的是日本的日亚( nichia ) 化学工业公司，该公司在1 9 9 7 年采 用mocvd 技术利用g a n 材料，在1 5 失配的石英基底上生长出了i n c a n 多量 子阱结构的4 0 8 6 nm 蓝光ld 。该蓝光ld 的寿命达到了1 0 0 0 h 。目前，日 本的日亚公司和美国的相干公司均推出了输出功率为5 m w 的产品封装的蓝光 ld 。虽然，该产品的价格还高得惊人，但距离广泛推广已经为时不远了。 ( 2 ) 对激光二极管输出光直接倍频。 采用这种方法可以实现比较高的光一光转化效率。但它对ld 要求很严格， 不仅需要较高的输出功率，而且必须要单管、单频运转。因此采用电学边带压缩 或光学反馈压缩等技术，通过外腔加强的办法，改善ld 的光束质量，压缩其发射 线宽，并将ld 输出锁定在非线性晶体无源谐振腔的共振频率上就成为这项技术 的关键。1 9 8 9 年，l c o l d k e y 和m k c h u n 用k n 晶体倍频8 4 2 n m 的ld ，获得 了2 4 m w 的连续蓝色激光输出。1 。w j k o z l o v s k y 和w l e n g t h 用电学反馈技术 钳制8 5 6r l m ld ，在1 4 0 m w 的注入功率下得到了4 1 m w 的4 2 8n m 的连续蓝光 输出。j a t r a i l 采用实时闭环反馈，有效的控制了光束质量，抑制了噪声，改善 了激光的工作稳定性，得到了输出功率4 0 m w 的4 3 0 nm 连续蓝色激光输出。德 国的d w o l l ，b b e i e r 等人将这种方法产生的蓝光推向了瓦级水平，他们用4 w 的 9 3 0 n m 的ld ，采用外腔加强办法，用lbo 晶体倍频，获得了l w 输出的4 6 5 n m 蓝光输出”1 。 ( 3 ) 蓝光波导激光器。 这种激光器由于在波导中传播的激光功率密度高、与泵浦光耦合充分、阈值 低、转换效率高、位相匹配范围宽而倍受关注。1 9 9 4 年，g g u p t a 用l i t 0 。波导 对8 4 0 nm 的ld 倍频而得到2 6 pw 的功率输出，转换效率为2 9 0 w cm ，位 相匹配宽度为0 3nm 。我国南京大学的陆亚林等人用l i n b 0 。波导倍频8 1 0 n m 的 g a a s a l 激光，在入射功率为2 5 0 m w 时，获得了0 3 m w 的4 0 5 n i t i 输出，光学转换 效率0 1 4 。日本的t o h r ud o u m u k i 等人用s i o 。t a 。0 。k t p 薄膜波导对钛宝石激 光进行倍频，波导长度4 1 m m ，得到了1 3 r o w 的近tem ，。模4 1 3n1 t i 输出。 ( 4 ) l d 泵浦、s h e 频率转换蓝光激光器 这种方法主要利用了l d 的发射谱线可以很好地与n 矿、c r 3 + 等激活离子的吸 收带相匹配这一特性，并通过和频、倍频等非线性手段来得到蓝光输出。 通过和频方法得到蓝光。这通常是对ld 的8 0 9nm 的激光和1 0 6 4nm 激光进行和频得到4 5 9nm 蓝光。和频激光器分行波型和驻波型两种，下 图是一种驻波型实验装置，本装置在g a a l a s3 0 m w 的5 5 与n d ：y a g 的3 3 m w 的4 5 ，同时耦合进长5 m m 的k t p 晶体时，获得了4 5 9 n m 的蓝光输出。 p n k e a n 和r w s t a n l e y 在1 9 9 3 年采用折叠腔结构，利用1 0 0 m w 的单 管ld 得到了2 0 m w 的4 5 9 n m 蓝光输出”1 。这种方法不足之处是对8 0 9 nm 的ld 的要求很高。这类和频激光器在技术上必须满足三个基本条 件：1 、两入射光波长，在光谱和空间上与谐振腔相匹配。2 、阻抗匹配。 即耦合反射镜m 1 的透射率必须与腔内往返一次的所有损耗相匹配。3 、 两入射光的频率必须锁定。一 苴 n d 4 5 9 n m 图1 驻波腔和频蓝光激光实验装置 腔内倍频掺n d 3 懒光介质。采用大功率半导体激光泵浦激光晶体的准三 能级，再通过腔内倍频是获得全固体蓝光输出的主要方法。目前研究的 激光晶体主要有n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 等，倍频后分别获得 4 7 3 n m ，4 5 7 n m ，4 5 6 n m 等波长的蓝光。用8 0 8 r i m 半导体激光泵浦n d ：y v 0 4 晶体能产生9 1 4 r i m 基频光，腔内倍频可获得4 5 7 n m 的深蓝光输出。但在 该方案中如采用端泵浦方法，需要制备对8 0 8 m 波长泵浦光减反和 9 1 4 n m 波长基频光高反，同时抑制1 0 6 4 r i m 四能级跃迁的多层介质膜。由 于8 0 8 r i m 与9 1 4 r i m 两种波长光谱间隔较近，制各谐振腔镜的多层介质膜 较难。同时，由于n d ：y v 0 4 晶体准三能级基态的斯塔克分裂是4 3 9 c m ， 低于n d ：y a g ( 8 5 7 c m 1 ) 。在室温下n d ：y a g 准三能级的基态有0 7 的 粒子数，n d ：y v 0 4 有5 的粒子数，故该晶体具有较高的再吸收损失，因 此国内外对该蓝光激光器研究的报道很少。n d ：g d v 0 4 晶体是一种近几年 发展起来的新激光晶体，最初的研究报道发表于1 9 9 2 年。与n d ：y v 0 4 相比，该晶体具有高2 倍多的热导率；而与n d ：y a g 相比，具有高的受 激发射截面和宽的吸收带宽，因此是一种很有发展前途的用于全固体蓝 激光器的晶体。用8 0 8 n m 半导体激光泵浦n d ：y a g 晶体的准三能级产生 9 4 6 n m 的基频光，腔内倍频获得4 7 3 n m 的蓝光输出，是目前在国际上研 究最早和应用最广泛的获得全固体蓝激光器的技术方案。早在2 0 世纪8 0 年代之前人们已经开始研究4 f 3 ，。一i 。之间的谱线跃迁及其倍频输出，由 于当时半导体激光器的发展还很不成熟，多采用闪光灯或染料激光器作 泵浦源，光束质量差，效率低。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，随着半导 体激光器的发展，国际上开始了以大功率半导体激光器为泵浦源的全固 体蓝激光器的研究。 内腔倍频的可调谐掺铬( c r ”) 蓝光激光器。采用6 7 0 n m 半导体激光泵浦 c r ：l i s a f 晶体，产生8 0 0 9 0 0 n m 基频光，通过腔内倍频可获得4 3 0 r i m 波 长左右的全固体蓝光激光器。由于c r ：l i s a f 材料具有非常大的荧光带宽， 国内外多数研究者对该材料的研究主要限于8 0 0 9 0 0 n m 的可调谐激光器 或锁模激光器，而用于连续单波长全固体蓝激光器的研究不多，其中主 要有日本的日立金属株式会社于1 9 9 7 年发表了采用该技术获得的1 0 r o w 蓝光输出的实验结果。2 0 0 0 年9 月提高到6 7 m w 。法国的f r a n e kf a l c o z 等人采用1 个5 0 0 m w 和1 个4 0 0 m w 半导体激光器双向泵浦c r ：l i s a f ， k n b 0 3 晶体腔内倍频，获得了1 3 m w ，波长从4 2 7 - - 4 4 3 n m 可调谐的蓝 激光输出。加拿大的p i e r r el a p e r i e 等人采用总输出功率为4 w 的1 9 个光 纤耦合输出的半导体激光器泵浦，折叠腔结构和l b o 腔内倍频，获得了 2 0 r o w 的4 3 5 n m 蓝光激光。由于目前用作泵浦源的红光l d 和高质量 c r ：l i s a f 晶体价格昂贵，使得这种蓝光激光器成本太高，相信随着6 7 0 r i m 红光l d 的制造工艺和晶体的生长工艺的完善，这种现象会得到改变。 ( 5 ) 光纤上转换蓝光激光器。蓝光光纤激光器是利用稀土离子上转换的发光机 理，即采用波长较长的激发光照射掺杂的稀士离子的样品时，发射出波长 小于激发光波长的光。稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸 收、能量转移和光子雪崩三种过程。蓝光上转换光纤的输出波长一般在 4 5 0 4 9 0 n m 之间，目前能获得蓝光输出稀土离子主要有t m 3 + , p r 3 + 两种， 但大多数情况下，为了提高泵浦吸收效率和上转换发光效率，往往采用将 t m s + 或者p r 3 + 离子与y b 3 + 离子共掺的方式，通过y b 3 + 离子的敏化作用，利 用多声子吸收的原理获得高效的上转换发光效应，t m 3 胁3 + 共掺和 p r 3 + ，y b 3 + 共掺这两种方式的上转换光纤激光目前报道地最多。1 9 9 7 年德国 h a m b u r g 大学z e l l m e r 等人在p ，w b 3 + ：z b l a n 光纤中获得了3 7 5 m w 的 4 8 0 n m 激光输出，这是迄今报道的最高功率的蓝光光纤激光输出。 1 4 半导体泵浦全固体蓝光激光器研究进展 二十世纪八十年代，由于量子阱结构半导体激光器的出现，ld 的阈值电流 减小，连续或准连续的输出功率有了明显的提高，因而激光二极管泵浦固体激光 器的研究工作也有了很大的进展。1 9 8 6 年，t y f a n 和r l b y e r 提出用辐射波长 为8 0 8 i l m 的ld 端面泵浦n d ：y a g 棒，产生波长为9 4 6r l m 的激光，并建立了准三 能级激光器的理论模型”1 。不久，他们用辐射波长为8 0 8nm 的ld 端面泵浦 n d ：y a g 棒，并得到了在室温下连续运行的9 4 6n1 2 1 的激光，此时泵浦阈值低于1 0 l t l w ，在泵浦阈值以上的斜效率高达3 4 叫。同时，w p r i s k 和w l e n t h 用波长为 8 0 8nm 的ld 端面泵浦n d ：y a g 棒，并用l i i o 作腔内倍频晶体，得到了波长为 4 7 3nm 的1 0 01 1w 的蓝光激光州，这是世界上第一台用ld 端面泵浦棒状增益介 质的腔内倍频产生蓝光的激光器。2 0 世纪9 0 年代后期，大功率半导体激光列阵 制作工艺的成熟和商品化促进了大功率全固体蓝激光器的研究进展。近期，德国 的z e l l e rp 和p e u s e rp 报道了采用2 1 w 的8 0 8 n ml d a 泵浦的n d ：y a g 和折叠 腔结构获得1 5 w 的4 7 3 n m 蓝激光输出的实验结果“”，而德国c z e r a n o w s k y 等人 用z 型谐振腔，l b o 晶体腔内倍频也得到了4 7 3 n m 连续工作的最大输出功率为 1 5 w 的实验结果。该实验同时用b b o 晶体腔内倍频得到的最大输出功率为 2 1 w ，用新型b b o 倍颏晶体得到的最大输出功率为2 8 w ，这是目前国际上最 高的输出功率“。国内在2 0 世纪9 0 年代末用8 0 8 n m 半导体激光泵浦n d ：y a g 晶体，简单的直腔结构，腔内倍频获得4 7 3 n m 的蓝光输出实验结果，4 7 3 n m 的最 大蓝光输出功率是1 2 0 r o w 。此外，国内也对中低功率的折叠腔结构、被动q 开 关脉冲和低噪声全固体蓝激光器等技术进行了研究。近几年，随着大功率半导体 激光器列阵的商品化，国内开展了采用该器件泵浦的大功率全固体蓝激光器的研 究，目前报道的采用折叠腔结构，中科院物理研究所已获得大于1 3 w 的4 7 3 n m 全固体蓝激光连续输出“”。 第二章准三能级理论与模型 钕离子的4 f a ：2 - 4 i m 能级的近9 0 0 n m 激光跃迁受到人们的关注，这主要是由于 其倍频后可获得蓝色激光，从而提供一条设计出结构紧凑的全固态蓝光激光器的 途径。但是钕离子的主要激光跃迁集中于4 f 。，广4 i 儿，：的1 0 6 4 r i m 和4 f 。：2 - 4 1 w ：的 1 3 2 0 n m ，他们都属四能级结构。而4 f 。一4 i 。的跃迁属准三能级结构，即它类似于 三能级系统( 下能级存在粒子) ，但又不完全等同于三能级( 上能级的粒子数不 需要多于全部粒子数的一半) 。这就给该波长的辐射跃迁造成了困难。首先，下 能级粒子数的存在产生了对激光的再吸收，这种再吸收损耗使得该波长激光起振 闽值增加。另外，准三能级跃迁的低增益容易产生f 。一4 i 。跃迁的寄生振荡， 从而消耗反转粒子数，进一步抑制了4 f 3 ，2 _ 4 i 。的跃迁。 本章的速率方程理论模型的建立与分析基于以下假设：( 1 ) 激光的吸收截面 和受激发射截面遵从对易关系q ；= 盯。( 当然实际上吸收截面和发射截面的大小 是有差异的，吸收截面稍大些) 汹3 。( 2 ) 泵浦光和激光均视为理想圆高斯光束。 ( 3 ) 忽略激光晶体的热效应的影响。 2 1 准三能级速率方程理论及光场分布函数印5 速率方程对泵浦光与激光介质的三能级或四能级之间的相互作用进行了近 似描述。泵浦光把基态的粒子泵浦到激发态，启动了粒子在增益介质中的各种辐 射和非辐射跃迁。速率方程主要对受激发射过程进行近似计算。对于准三能级系 统也可以用速率方程这个工具进行处理，典型的准三能级结构图( 以n d ：y a g 晶 体为例) 如图2 所示。 l 羔： ：一 j 引r i 葺n - 4 f 5 n 4 f 3 口 4 1 t s f 2 4 i l m 4 h u 2 ( z o 实际的激光跃迁在能级的斯塔克分量之问发生，常温下任一能级上的粒子数 服从波尔兹曼分布，若下能态粒子数为n ，激光下能级的粒子数n a 可表示为 n 。= ( g a n z z a ) e x p ( 一e 4 k t ) = f a n l ( 2 1 ) 上式中z a = g i e x p ( 一e ；k t ) n a 表示激光下能级粒子数； e a 表示激光下能级能量； t 晶体温度； 野和g a 表示态i 和态a 的简并度： f 。代表参与激光作用的下分量能级粒子数占整个下能级粒予数的比例。 在稳定泵浦下，上能态各子能级驰豫较快时，子能级间的粒子数也服从波尔 兹曼分布，激光上能级的粒子数可写为n b = f b n 2 ，为上能态粒子数。 稳态时激光腔内振荡模场分布为厄米一高斯分布，在基模条件下，场强度分布 函数为高斯分布： 坼= 良c x p ( 二罨轰笋)c z 。 其。叫去卜劫1 定义。( z ) 为z 处振荡光的光斑半径，z 。为振荡光的束腰位置，。o 为介质内振 荡光的束腰半径， 。为振荡光波长。 通常情况下，可以由束腰u 。代替z 处的光斑。( z ) 。将2 2 式进行归一化 s 。( x ，y ，z ) d v = 1 即j a 唧 专萨 d v ：1 a e e x p ( - 2 x 2 c o 。2 ) d xe e x p ( - 2 y 2 慨2 ) d yf a z = 1 a ( 鲁) 2 h 得到系数 ， a = 二。 7 f l c o o 琨s 0 ( r ，z ) - 去e x p ( 等 ( 2 4 ) 对于泵浦光，我们考虑经光束整形后的圆对称高斯分布泵浦光，其强度分布为 咖壮e x p ( - z 廊 2 ( 丢等) 】 ( 2 5 ) 将2 5 式归一化后可得到系数b ，于是泵浦光场分布函数为 r p ( r ，z ) 2 面百三蠢商面e x p ( 一) e x p ( 一等) ( 2 6 ) 式2 4 和2 6 中，胍( r ，z ) d v = 肛。( r ，z ) d v = 1 ，口是泵浦波长的强度吸收 系数，。和分别是泵浦光和振荡光的腰斑半径。 泵浦过程就是增益介质通过吸收泵浦光子将下能级粒子激发到上能级，此过 程可以用泵浦速率密度 r ( r ，z ) = r r p ( r , z )( 2 7 ) 来描述。r 是整个谐振腔中的泵浦速率，即每秒钟由于泵浦能量的吸收而激发到 上能级的粒子数。 r = r p p , b 。h ( 2 8 ) h 是普朗克常数，y ，是泵浦光频率，p a b 。为被激光介质吸收的泵浦光功率，7 7 。是 量子效率，表示一个泵浦光子平均激发的粒子数。 p a b 。= p p 【1 e x p ( - 口l ) 】( 2 9 ) 凡是进入模体积的泵浦功率，口是增益介质对泵浦光的吸收系数，l 是增益介质 长度。 光子数密度函数s ( r , z ，t ) 也可写成 s ( r ，z ，t ) = s ( 0 s o ( r , z )( 2 1 0 ) s ( t ) 是t 时刻腔内的光子数。 有了以上的准备，我们可以写出准三能级系统上、下能级上的粒子数随时间的 变化方程 皇噬盟-，b弛(r，z)一nb(r,z)-nb。fbccrnb(r,z)-na(r,z)s0$0(r，z)：o d t ri i ( 2 1 1 ) 掣一f a r r v ( r , ：) 一生鱼生丛：+ 生坐业堕二堕型s o s o ( r ，：) ：o d t fn ( 2 1 2 ) 2 1 l 和2 1 2 式中，c = 光速； s = 腔内光子数； i - 1 = 折射率： n ? ，n f = 热平衡时的上下能级粒子数 盯= 受激发射截面 用 a n ( r , z ，t ) = n b ( r , z ，t ) - n 。( r z ，t )( 2 13 ) 代表反转粒子数密度，用2 1 1 式减去2 1 2 式可得 _ d a n ( r , z ) ：( ，b + f , ) r r p ( r , z ) 一坐竺型蔓一盟坐熊坚堕s 0 s 0 ( r ，z ) ：o n t f n f 2 1 4 ) 其中n o 代表没有泵浦时，系统处于平衡态时的反转粒子数。 如果多模运转，光子数密度为 s ( r , z ，o = e s 。( r j z ，t ) = s ，( t ) s i ( r ，z ) ( 2 1 5 ) 其中i = o 是基横模。每个模的总光子数s ，( t ) 随时间的变化率为 d s i ( t ) d t 。詈j j i 陋( r ，圳s i ( t ) s ( r ，z ) d v 一盖s t ( 2 1 6 ) 上式右边第一项是粒子数反转引起的受激辐射使第i 个模的光子数增加的速率， 第二项是整个谐振腔的总损耗使光子数减少的速率。点是第i 个模的往返总损 耗，它包括输出损耗t 及腔内的散射、衍射、吸收等腔损耗k 。n l 是激光腔的 光学长度( 为讨论方便，设激光介质充满谐振腔) 。 如果只考虑基横模运转，则准三能级速率方程为： _ d a n ( r , z ) ：”f , ) r r p ( ：) 一型鱼生兰些一坠且迪巡盟s o s o ( r ，z ) ：o o t fn ( 2 1 7 ) d s 。( t ) ，拈詈n ( r ，z ，t ) s o ( t ) s o ( r z ) d v 一蛊s 0 ( t ) _ 0 ( 2 1 8 ) 2 2准三能级系统的阈值 由2 1 7 式司舁得( 令f 2 f | + f b ) n ：生! 竺1 1 + t c o s o s o 【r ，z ) r n 带入( 2 1 8 ) 式得： 轰啦r 骶舞篓薪v + 删f i 州r + r c 稍0 s s o ( r , 0 ( r z ) 瑚，n d v 在阈值附近s o = 0 ，an 。- n a o ，于是( 2 2 0 ) 式化为 轰哦册如) s 0 ( r ，z ) d v n a o j s 拟，z v = f 肌( r ，z ) s 。( r ，z ) d v n a 0 ：兰堡! 一n o 无( 口。2 + ( 0 0 2 ) 一8 1 4 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 上式利用了由2 4 式和2 5 式算得的胍( r i z ) s 0 ( r ，z ) d v 2 面再2 丽 所以陆( 矗+ n a 0 ) 掣 由n a o = f a n o ，上式化为 陆掣( 丢州。l 陆二氛【云+ 帆lj 于是，阈值泵浦功率p 血为 p 萨等= 等( 寺删。l ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 另外，上式可进一步写为 p m = ! 警p 十z d u 。l ) c z z a ， 式中仉= 1 - - e x p ( 一a l ) 为介质对泵浦光的吸收率，o n 。o 为再吸收损耗因子，故 2 0 n 。o l 为再吸收产生的损耗。 从上式得到，在阈值表达式中，准三能级系统与四能级系统的区别是多了一项 再吸收损耗，而没有新的项引入泵浦光和激光的腰斑中，所以不管是