（光学专业论文）ld泵浦全固体连续绿光激光器.pdf

摘要 激光二极管泵浦全固态激光器( d p s s l ) 具有效率高、寿命长、结构紧凑、 稳定可靠等特点，已成为国际激光领域研究的热点。目前n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 晶体以其优良的物理、化学及激光特性，被广泛的应用在各类激光产品中。本 文对l d 端面泵浦全固态n d ：y a g k t p 、n d ：y v 0 4 k t p 连续绿光激光器进行了 理论对比和实验研究。 首先，回顾全固态激光器的发展历史；介绍绿光激光器的应用及发展现状。 其次，对比n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 的晶体特性；对激光二极管端面泵浦 n d ：y v 0 4 n d ：y a g 固体激光器的输入输出特性进行对比和理论研究，为实际优 化设计激光器提供了依据。 第三，总结出影响腔内倍频的因素；首次分析了多层膜的反射特性对i i 类 相位匹配倍频效率的影响；简单介绍k t p 晶体的倍频特性，得出n d ：y v 0 4 和 n d ：y a g 为激光晶体时k t p 晶体的最佳长度。 第四，计算了n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 晶体在不同泵浦功率下的热焦距，以 及相关参数与热焦距的关系；利用a b c d 矩阵对腔体稳定性进行分析，设计出 在很大范围内保持稳定的热稳腔，从理论上实现了输出光斑的像散补偿。 最后，设计出方便调节的l d 泵浦全固体连续绿光激光器。比较不同k t p 长度下，n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 激光晶体的输入输出特性。采用简单的直腔设计， 获得最大4 1 8 w 的绿光输出；采用v 型腔设计，获得最高1 7 8 的光光转换 效率，较好的实现了输出光斑的像散补偿。 关键词：端面泵浦；绿光激光器；k t p a b s t r a c t al a s e rd i o d e ( l d ) p u m p e ds o l i ds t a t ef o u r - l e v e ln d 3 + l a s e rw i t hi n t r a e a v i t yf r e q u e n c y - d o u b l i n g h a sp r o v e dt ob ea l le f f i c i e n tw a yt oa c h i e v et h eg r e e nl a s e re m i s s i o na n dh a sa 仕r a c t e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o na tp r e s e n t i ti sd u et oi t si n h e r e n ta d v a n t a g e s , w h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db yi t sh i g h o u t p u tp o w e r , h i g hq u a l i t yo fl a s e rb e a ma n dl o wp r i c e i nt h i st h e s i s ，s o m 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 l ep r e s e n t e da n dv a l u a b l er e s u l t sa r eg i v e n f i r s t l y , w ea n a l y z et h et h e o r yo ff o u r - l e v e l s y s t e ml a s e ra n do b t a i ns o m ep a r a m e t e r sf o r o p t i m i z i n gt h el a s e ro p e r a t i o n i no r d e rt op r o v i d eag o o dt e s t i m o n yf o rt h ea c t u a lw o r k , t h e o p t i m u mv a l u e so ft h ed e g r e eo fm o d em a t c h i n go fr e s o n a n tl i g h ts p o ta n dp u m pl i g h ts p o t ，t h e l e n g t ho fg a i nm e d i u m ，t h ei n t r a c a v i t yi n t r i n s i cl o s s ，a n dt h eo u t p u tm i r r o rt r a n s m i s s i o nh a v eb e e n o b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo ft h ef r e q u e n c y d o u b l i n gi si n t r o d u c e d w ea l s oi n t r o d u c et h e i n f l u e n c eo fp h a s e - m i s m a t c ha n dt h ew a y so fa c h i e v i n gp h a s e m a t c h a f t e rc o m p a r i n gs o m e c r y s t a l sw ec h o o s et h ek t pa st h ef r e q u e n c yd o u b l i n gc r y s t a li no u rd e s i g na n di n t r o d u c ei t s a t t r i b u t e s a sar e s u l t ，w ec a l c u l a t ea n do b t a i nt h eo p t i m i z a t i o nl e n g t ho ft h ef r e q u e n c yd o u b l i n g c r y s t a l t h i r d l y ，t h eb a s i so ft h et h e r m a ll e n se f f e c t sa n dt h ei n f l u e n c e so fc h a n g i n gp u m pp o w e r sa r e s t u d i e d u s i n gt h ea b c dt h e o r yt oa n a l y s et h ec a v i t y , at h e r m a l l y i n s e n s i t i v ef o l d e dc a v i t yi s d e s i g n e d ，w h i c ho v e r c o m e st h e r m a le f f e c t s ，d e c r e a s e sa s t i g m a t i s mw i t h o u ti n s e r t i n gc o m p e n s a t o r s ， a d a p t st oh i 曲p o w e rl de n d - p u m pm o d e t h ee x p e r i m e n to fal d e n d p u m p e dh i g hp o w e ri n t r a c a v i t yf r e q u e n c y d o u b l e dg r e e nl a s e ri s d e m o n s t r a t e d t h ep h a s e - m a t c h e dp r o p e r t i e so fk t p c r y s t a la r es t u d i e d u s i n gl i n e a rc a v i t y , w e g e t4 18 w 5 3 2 n mm a x i m a lo u t p u tp o w e r u s i n gv - f o l dc a v i t y , h i g he f f i c i e n t h i g hp o w e r f u la n d s t a b l et e m o og r e e nl a s e ri so b t a i n e d 。 k e yw o r d s ：l d - p u m p e d ；g r e e nl a s e r ；k t p 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：乃芍鹊 j j 旷年厂月1 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门 大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和 电子版，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。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名： - 剪弩 别磁轹案研 日期：a 厂年r 月 1 ，日 日期：o g 年5 月) _ 日 第一章绪论 第一章绪论 激光作为2 0 世纪人类重大的科技发明之一，以其无与伦比的技术优势继微 电子技术之后，推动人类科学技术进入新的发展阶段，对人类的社会生活产生了 广泛而深刻的影响。激光器的发光机制不同于普通光源，具有很好的方向性、单 色性和相干性，故在现代科学技术的许多方面发挥了独特的作用，已经遍及工业、 农业、科学、医学、通信、国防、信息及商业等诸多领域，并带动和导致了许多 新兴学科的诞生和发展。随着非线性光学频率变换技术的日益成熟以及适合于 l d 抽运的固体激光材料的大量涌现，l d 抽运的各种波长的固体激光器己发展 成为固体激光技术中最具活力的研究领域。特别是八十年代以后，随着晶体生长 技术的提高和大功率长寿命l d 的出现，l d 抽运的全固态激光器有了飞速的发 展。l d 泵浦固体激光器( d p s s l ) 集半导体激光器和固体激光器的优点于一身， 具有转换效率高、结构紧凑、可靠性高、寿命长以及良好的光束质量等优点，已 成为当前激光产业的发展热点之一，其最高功率已达到了千瓦量级，并逐步实现 设备的小型化和实用化。此外，结合非线性光学和频率变换技术，d p s s l 的输 出波长可以覆盖紫外到红外的整个波段范围，拓宽了固体激光器的应用领域，在 工业激光加工、激光医疗、激光显示、光通信、军事等多个领域具有广泛的应用 前景。 1 1l d 泵浦全固体激光器( d p s s l ) 1 1 1d p s s l 的发展历史 自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器诞生以来，固体激光器的发展极为迅速，在 不同领域，如材料加工、医学、测距及科学研究等方面有着广泛的用途。1 9 6 0 年n e w m a n 第一个提出了全固态激光器的思想，并于1 9 6 3 年用g a a s 二极管在 8 0 8 n m 附近的辐射泵浦掺钕离子钨酸钙晶体( n d ：c a w 0 4 ) ，得到了1 0 6 4 n m 的激 光输出【l j 。1 9 6 4 年，美国林肯实验室的k e y e s 和q u i s t 研制出了第一台l d 泵浦 的固体激光器【2 1 ，它的工作物质为g a f 2 ：u ”，输出波长2 6 1 3 n m 。1 9 6 8 年，美国 l d 泵浦全固体连续绿光激光器 麦道航空公司的r o s s 制造出了第一台用g a a s 泵浦的n d ：y a g 激光器【3 】，但其 所需的l d 必须被冷却到1 7 0 k ，以实现波长匹配。 2 0 世纪7 0 年代，虽然在新的固体激光材料开发、单元技术研究和应用开 拓等方面取得了不少有意义的成果，但是由于l d 泵浦源所具有的光束发散角 大、单色性差、波长单调、功率和转换效率低以及难以在室温下运转等缺陷没 有得到解决，d p s s l 技术基本上没有大的突破，它的性能特别是输出功率与灯 泵浦的激光器相比还有很大的差距。 8 0 年代后期，高效率、高功率的l d 及其阵列的发展，使得d p s s l 技术 重现了生机。新的晶体生长技术能生长出优质的量子阱和应变量子阱材料，使 得l d 的阈值电流明显降低，使用寿命显著增长，转换效率大幅提高，输出功 率成倍增长。另外，新量子阱材料的发展使l d 的激发波长得到了很大的拓宽， 在室温下，覆盖范围已扩展到从蓝光到红外区域。高功率l d 的发展，使l d 泵浦固体激光器的工作也随之上了一个新台阶。 进入9 0 年代后，由于l d 的发展和l d 泵浦固体激光器整体设计上的优化， l d 泵浦固体激光器有了很大进展，并且研究重点己转向小型化、实用化和商品 化。国外的s p e c t r ap h y s i c s 、s d l 、c o h e r e n t 等公司分别推出了各种型号的连续 和脉冲工作的d p s s l 激光器；在国内，天津大学、清华大学、上海光机所、长 春光机所、西安光机所、山东大学等单位也先后在d p s s l 方面进行了许多有价 值地研究 4 1 。 目前，d p s s l 的斜率效可达5 0 以上，电光转换效率也在3 0 4 0 之间。 在中小功率范围内，d p s s l 已在逐步取代灯泵的固体激光器、可见和紫外的氩 离子激光器、氦镉激光器；同时，大功率d p s s l 也正在逐步拓展应用领域。 1 1 2i ) p s s l 的特点 l d 泵浦的固体激光器集二极管激光器和固体激光器的优点于一身，并且弥 补了两者的不足，使得l d 泵浦的全固态激光器优于传统灯泵固体激光器和二 极管激光器本身，其各项性能指标以及在实现产业化方面都取得了极大的进步。 概括起来有以下几点【5 , 1 4 , 1 5 ： 1 总体效率高全固态激光器的泵浦源l d 可通过改变掺杂组分及控制温 2 第一章绪论 度等手段使输出波长与激光晶体的吸收峰重合，热耗小，有利于泵浦光吸收， 光光转换效率高，总体转换效率可以达到1 5 以上。 2 稳定性好l d 泵浦和单个谐振腔相结合的方式大大提高了固体激光器 的稳定性，同时也能获得更窄的线宽。 3 光束质量高，发散角小，具有高的空间相干性激光晶体热负载的减小 提高了光束质量。在纵向泵浦时，可以产生近于衍射极限的激光输出。d p s s l 输出光束是近于理想的t e m o o 模，质量因子m 2 接近衍射极限值1 。 4 结构紧凑、小型化l d 的集成化技术和易耦合的特点，从根本上简化 了传统激光器的结构，使庞大的体积明显缩小，可靠性和实用性也得到了保证。 5 可靠性高、寿命长目前l d 的寿命可达上万小时，而灯泵浦固体激光 器的寿命通常只有4 0 0 多小时。因此，选用l d 泵浦的全固态激光器无论以连 续还是脉冲方式工作，其寿命都可延长一个数量级以上。 6 辐射线宽窄，易实现单频运转 7 峰值功率高由于固体激光介质的上能级寿命长，发射谱宽，能量储存 能力高，易于实现粒子数反转，光增益大，而且通过调q 状态可产生高峰值功 率的脉冲输出。 8 波长覆盖范围宽l d 泵浦固体激光器通过采用不同的激光晶体以及频 率变换技术，可以得到多种新的振荡波长，波长覆盖宽，而且可以利用多个l d 泵浦，获得比单个l d 大许多的输出功率；同时l d 泵浦固体激光器还可以获 得如双波长、可调谐等器件。 1 1 3d p s s l 的发展方向及应用 当前，激光二极管泵浦全固体激光器的发展方向主要有四个方向： ( 1 ) 高功率输出； ( 2 ) 小型化微型化； ( 3 ) 多波长输出； ( 4 ) 向多种激光材料发展。 激光二极管泵浦固体激光器由于其发射波长的谱线线宽窄( 2 r i m ) ，因此易于 与固体激光介质吸收峰值匹配，电光转换效率高，在相同的输出功率水平上，大 l d 泵浦全固体连续绿光激光器 大减弱了热效应，易于实现稳定可控的单横模、单纵模输出。同时，激光二极管 泵浦全固体激光器结构紧凑、体积小、光束质量好、输出功率稳定、寿命长。因 此它广泛应用于材料加工，医疗卫生，军事国防，光学信息处理，光通信，彩色 显示，激光测距等各个领域，从而成为国际上竞相研究开发的一个热点。 1 2 绿光激光的产生方法及应用 1 2 1 绿光激光的产生方法6 】 ( 1 ) 上转换泵浦发射绿光激光在固体材料中掺入稀土离子，用半导体激光 器或其他光源泵浦，直接利用稀土离子的能级跃迁而产生绿光激光。此种方法 基于上转换效应，亦即激射光波长小于泵浦光波长。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。 ( 2 ) 半导体激光器直接发射绿光激光半导体激光器是以直接带隙半导体 材料构成的p n 结或p i n 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器的 激励方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式【7 1 。按照波长 和应用领域，半导体激光器大致可分为长波长和短波长两种i s 。在短波长一侧， 由于材料制备和器件工艺方面的困难，半导体绿光激光器的研究进展一直比较 缓慢，很长时间没有达到实用化程度。 ( 3 ) 非线性光学晶体倍频方法这是实现绿光激光较常用的方法。这种方法 可分为直接法和间接法。直接法就是将半导体激光直接输入到波长变换元件上， 倍频后得到绿光激光输出。这种方法特点是结构简单、倍频容易，而且变换频 率高，但输出的绿光激光线宽较宽，波长稳定性差。间接法又可分为两种：a 、 利用半导体激光泵浦n d 3 + 、e r 3 + 等稀土离子激活的固体激光器，然后再经过波 长变换元件实现倍频。这种方法在结构上较为复杂，但可以得到好的激光光谱 和波束特性。另外这种方法还可以利用固体激光器能级寿命长的优点，实现能 量积累，从而得到高能量激光输出。b 、利用既可发射激光、又可以同时实现波 长变换的自倍频晶体材料实现激光输出，例如钕和氧化镁共掺的铌酸钾 ( n d ：m g o ：l i n b 0 3 ) 和硼酸钕钇铝( n d x y x 砧3 b 0 3 ) 以及k t p ：c r 掣9 1 。 4 第一章绪论 1 2 2 绿光激光的应用 目前，全固态激光器正朝着多波长方向发展，其中l d 泵浦全固态绿光激 光器发展迅猛，在各领域应用广泛。 1 在医疗方面的应用1 6 i 由于人眼对绿光最为敏感，5 3 2 m n 波长的脉冲激光可用于眼科手术；该脉 冲绿光亦可用于治疗血管性疾病，e n d o v a s i x 公司设计制造输出功率为3 w 的 5 3 2 n m 调q 脉冲激光器用来治疗中风。脉冲绿光激光器因其功率高，所以对皮 肤的作用时间相对较短，这样激光不会对目标组织周围的皮肤组织产生非选择 性加热，从而不会导致热损伤，降低了手术危险性1 0 】。 2 在彩色显示领域的应用1 6 i 与其它显示光源相比，激光显示技术具有色域宽、色纯度高、显示画面尺 寸灵活可变、无有害电磁射线辐射等独特优点，可用于家庭影院、数码影院、 超大屏幕投影、公众信息大屏幕以及教学演示、虚拟现实模拟等众多领域，成 为家庭及室外未来首选的视频显示设备。激光显示的图像比现有彩色电视色彩 更丰富、颜色更鲜艳，能反映自然界的真实色彩，甚至能显示虚拟颜色，所以 大功率三基色全固态激光器作为激光彩色显示的关键技术，己成为当前国际激 光领域研究的一个重大发展方向。 3 在激光精密加工的应用【1 1 - 1 2 】 绿光激光由于其亮度高、聚焦光斑小、作用时间短、热影响区小、工件不 会因加工而产生大的形变等优点，可以对一些硬度高、脆性大的材料进行加工， 在精密加工中显示出它独特的优越性。除此之外，激光在电子工业中也得到广 泛应用，可以用来调整微型电阻的阻值。随着激光器性能的改善和新型激光器 的出现，激光在超大规模集成电路方面的应用已经成为许多其他工艺所无法取 代的关键技艺，为超大规模集成电路的发展展现出令人鼓舞的前景。 4 作为激光泵浦源1 3 l 紫外激光器、深紫外激光器在军事、工业、医学、印刷等方面有着广泛的 应用，使用绿光作为泵浦源是目前产生紫外、深紫外激光最有效、最广泛的方 法。l d 泵浦的固体激光器可以作为飞秒激光器的泵浦源，如用绿光激光器作为 泵浦源，泵浦t i ：a 1 2 0 3 晶体产生飞秒脉冲。另外，绿光激光器还可作为参量振 5 l d 泵浦全固体连续绿光激光器 荡器的泵浦源。 除此之外，全固体绿光激光器还在光存储、信息处理、激光光谱与全息、 相干通讯、激光娱乐、激光雷达、干涉测量、光学数据存储、军事工业等领域 也有着广泛的应用。因此，全固体绿光激光器具有十分重要的科学研究价值和 广阔的应用前景。 1 3l d 泵浦全固态绿光激光器的发展状况 第一台全固态小型绿光器件是利用线列发光二极管泵浦n d ：y a g 和铌酸钡 钠晶体( b a 2 - n a n b 3 0 1 5 ) 倍频得到的，重复频率1 0 0 h z ，平均功率为2 m w i l 引。此 后，国外l d 端面泵浦腔内倍频全固体绿光激光器的研究进展迅速。 在连续绿光方面，1 9 9 9 年日本t k o j i m a 等人将谐振腔改为四镜z 型折叠腔， y a g 双棒串接，获得光束质量较好的连续稳定的绿光输出，功率为2 7 w ，m 2 等 于8 ；当输出为t e m o o 模时，最大功率为1 6 w ，对应的光一光转换效率分别为 8 2 和4 8 州1 6 】，这是采用棒状工作物质的传统全固态绿光激光器的最高功率。 2 0 01 年，d y s h e n 等人【1 n s l 采用二极管端面泵浦n d ：g d v 0 4 k t p ，直腔结构， 在注入功率为8 4 w 时，5 3 2 n m 的功率输出达到1 9 5 w ，光一光转换效率为2 3 2 。同年，e d e k k e r 等人【婚1 利用白倍频晶体y b ：y a b 实现了1 1 w 连续绿光输出， 光一光转换效率为1 0 ，这是当时自倍频晶体输出绿光达到的最高功率，m 2 为 1 2 。2 0 0 4 年，相干公司推出了1 8 w 的全固态连续绿光激光器商用化产品。该产 品采用n d ：y v o 以b o 组合，环行腔结构，输出单纵模绿光，不仅避免了“多纵 模竞争噪声”成为“安静 的商用化高功率激光器，同时得到了最高的泵浦转换 效率，成为长期稳定性最高的固体激光器。2 0 0 5 年，x i a o y u a np e n g 等人采用 n d ：y l f 晶体和临界相位匹配的l b o 倍频晶体，采用双端泵浦，实现了2 0 5 w 的5 2 7 n m 激光输出，m 2 = 1 2 ，相应的光一光转换效率为3 4 2 ，绿光的功率不 稳定性小于l 纠1 9 】。e l s 公司开发的m o n o d i s k 5 1 5 m p 系列全固态d i s k 激光器 实现了5 0 w 的5 1 5 n m 连续绿光输出，m z 1 1 。 在准连续绿光方面，2 0 0 0 年s u s u m uk o n n o 等人采用双棒l 型腔，当泵浦 功率为8 0 0 w 、重复频率1 0 k h z 时，用l b o 晶体腔内倍频单端输出1 3 8 w 的绿 光，光束质量因子m 2 = 1 1 f 2 0 】；2 0 0 1 年，美国l l n l 的c h a n g 等人报道，他们采 6 第一章绪论 用自行研制的c p c ( c o m p o u n dp a r a b o l i cc o n c e n t r a t o r s ) 聚光腔，当二极管侧面 泵浦功率为1 1 8 0 w 时，实现4 5 1 w 的连续基频激光输出。采用l 型谐振腔，l b o 晶体腔内倍频，实现了1 8 2 w 的绿光输出。2 0 0 4 年韩国的j o n g h o o ny i 2 1 】采用z 型腔在3 9 8 w 泵浦功率下输出1 0 1 w 的绿光，光一光转换效率为2 5 4 。 近年来，我国的许多科研单位也开展了对全固体绿光激光器的研究，并取 得了较大进展。 在连续绿光激光器研究方面：2 0 0 0 年，中科院物理所与山东师范大学用 l d 双向抽运n d ：y v 0 4 晶体，k t p 腔内倍频的方式，获得最大连续波绿光输出 8 8 w ，光一光转换效率达3 1 5 t 2 2 1 。刘均海等人采用端面泵浦n d ：g d v 0 4 晶体， k t p 倍频，获得了3 6 w 的连续绿光，m 2 为1 5 5 ，光一光转换效率为2 2 5 ， 不稳定度小于3 【2 3 1 。2 0 0 2 年，西北大学白晋涛等人采用l d 端面泵浦 n d ：y v 0 4 瓜t p ，四镜折叠腔结构，实现了5 6 w 连续绿光t e m o o 模输出，光一 光转换效率为2 5 5 r 2 4 1 。2 0 0 4 年，该研究所白杨等人用l b o 晶体做倍频晶体， 实现了9 9 w 的连续绿光输出，光一光转换效率为3 4 8 t 2 5 1 。2 0 0 6 年天津大学 的张玉萍等人设计的高稳定l d 单端泵浦k t p 腔内倍频n d ：y v 0 4 连续绿光激 光器在输出功率5 w 左右时，激光器1h 功率不稳定度优于0 6 【2 6 1 。天津大学 姚建铨院士课题组采用侧面泵浦结构，三镜折叠腔结构实现了2 2 7 w 连续绿光 输出，光一光转换效率8 3 o 2 0 0 7 年山东大学采用一种新型的n d ：y v 0 4 y v 0 4 复合晶体，利用v 型折叠腔，在泵浦功率为1 7w 时，获得了5 3 2w 的绿光输 出，光光转换效率达到3 1 3 t 2 7 1 。 在准连续绿光激光研究方面：2 0 0 3 年，天津大学激光与光电子研究所采用 美国c e o 公司的1 6 0 0 w 半导体抽运组件，在抽运电流为1 8 。4 a ，声光重复频率 2 0 7 l ( h z 时，获得了1 0 4 w 的高功率、高重复频率5 3 2 n m 绿光输出，脉冲宽度小 于1 3 0 n s ，倍频效率约为5 0 ，不稳定度小于1 l z 8 1 。2 0 0 4 年信息部十一所采用 国产半导体激光器组件，利用三镜l 型腔，实现了平均功率大于1 0 0 w 的绿光输 出【2 9 1 。2 0 0 5 年，固体激光技术国家重点实验室在v 型腔上实现了脉宽为8 0 n s 、 重复频率为1 0 k h z 、发散角为6 m r a d 、绿光功率为11 2 w 的输出；在z 型腔上实 现了脉宽为9 5 n s 、+ 重复频率为1 0 k h z 、发散角为4 m r a d 、绿光功率为1 2 0 w 的输 出；同年，中国工程物理研究院采用电一光调q ，主振荡功率放大器( m o p a ) 结 7 l d 泵浦全固体连续绿光激光器 构，获得的绿光平均功率可达1 6 0 w t 3 0 1 。2 0 0 6 年，华北光电技术研究所报道了绿 光平均功率达1 3 8 w 的声光调q 内腔倍频全固态n d ：y a g 绿光激光器，实验中 采用两个聚光腔，每个聚光腔由3 5 个2 0 w 的高功率激光二极管侧面抽运n d ：y a g 棒。在两个聚光腔的激光二极管抽运电流分别为1 8 5 a ，2 0 5 a 时，获得了重复 频率为1 0 k h z ，脉冲宽度优于4 9 n s ，输出功率为1 3 8 w 的高功率、高重复频率、 窄脉宽绿光输出，光一光转换效率为1 4 1 ，不稳定度为2 8 1 3 。 在单频、高偏振度绿光激光器研究方面：2 0 0 1 年，中科院长春光机所结合 采用短程吸收法与双折射滤光片技术两种选频方案，实现了n d ：y v 0 4 k t p 结 构绿光激光器的单频稳定输出。在泵浦功率为3 6 0 m w 时，单频稳定输出达 3 8 m w ，光一光转换效率超过1 0 【3 2 】。2 0 0 6 年，山西大学选择低掺杂浓度 n d ：y v 0 4 激光晶体，设计了v 型热不灵敏折叠式驻波谐振腔，当泵浦功率为 2 3 w 时，得到了7 w 单横模5 3 2 n m 绿光输出，光一光转化效率为3 3 【3 3 1 。同年， 天津大学、长春光机所分别设计出了高稳定、高偏振绿光激光器，稳定度、偏 振比分别为0 6 、5 5 0 ：1 t 3 4 3 5 1 。 1 4 本论文主要工作 n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 是适合用于l d 泵浦的增益介质，由于具有各自的优 良特性，被广泛应用于绿光激光器中。本文通过理论和实验研究，进一步对比 分析它们的激光特性，为优化n d ：w 0 4 n d ：y a g 提供参考。 1 对激光二极管端面抽运固体激光器的输入输出特性参数进行理论研究。 通过数值计算得到n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 为激光增益介质时，相关参数的最佳值， 为实际优化设计激光器提供了依据。 2 分析多层膜的反射特性对i i 类相位匹配倍频效率的影响。选取较合适的 倍频晶体k t p ，从倍频转换效率公式和腔内倍频的稳态条件得出n d ：y v 0 4 和 n d ：y a g 为激光晶体时倍频晶体的最佳长度。 3 计算n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 晶体在不同泵浦功率下的热焦距，以及相关 参数与热焦距的关系；设计热稳腔并从理论上实现输出光斑的像散补偿。 4 设计出高效、稳定、便于调节的l d 泵浦全固体连续绿光激光器，进行 实验研究，验证理论结论。 8 第二章激光晶体材料与四能级系统分析 第二章激光晶体材料和四能级系统分析 2 1 激光晶体特性分析 固体激光工作物质是固体激光器的核心，是架构激光器的第一步。影响固 体激光器工作特性的关键是增益介质的物理和光谱特性。固体激光工作物质是 将激活离子掺入基质材科( 晶体、玻璃) 而构成的。激活离子是发光中心，工作 物质的物理、化学和机械性能主要取决于基质材科，光谱特性则由激活离子的 能级结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特性将有所变化。因此， 对固体激光工作物质的一般要求可以概括为以下几点阁： 1 能掺入较高浓度的激活离子，浓度猝灭效应小，荧光寿命长。 2 掺入的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面。 3 在激光工作频率范围应透明，当光激励产生色心时，不会引起吸收的显 著增加。 4 。较高的光学质量和荧光量子效率。 5 能与激光二极管发光谱线相对应的强吸收带 6 良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系数小，较高的抗强 光损伤阈值，易于光学加工。 7 容易生长出大尺寸的材料。制备工艺简单，成本低廉。 由于激活离子n d ”的吸收峰与g a a s 二极管辐射标准光谱相重合，非常适 用于l d 泵浦。它可以在许多基质介质材料中掺杂，获得激光运转。目前常用 的掺钕离子激光晶体有n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、n d ：g d v 0 4 、n d ：y l f 、n d ：y a p 等。 1 n d ：y a g 晶体特性 n d ：y a g 是目前最为成熟的激光材料。它是作为基质的钇铝石榴石 ( y 3 a 1 5 0 1 2 ) 晶体中y 3 + 被激活离子n d 3 + 取代而形成，属立方晶系，光学性质各 向同性，不存在自然双折射。y a g 是一种对n d ”最具商业价值的激光基质材料， 其阈值低、增益高，热特性和机械特性良好，立方结构又有利于窄的荧光谱线， 从而产生高增益的激光。而胃用提拉法也容易生长出高质量大尺寸的晶体。它 9 l d 泵浦全固体连续绿光激光器 的物理特性( 表2 1 ) 及激光特性( 表2 2 ) 等综合性能是目前最好的光学晶体 之一。 n d ：y a g 的简化能级图如图2 1 所示。室温下有三条荧光光谱带，对应的波 长及跃迁能级分别为【6 】：8 7 0 9 5 0 n m ( 4 f 3 ，2 4 1 9 2 ) 、1 0 5 0 1 1 2 0 n m ( 4 f 3 2 4 1 1 1 2 ) 和 1 3 1 0 1 3 5 0 n r r l ( 4 f 3 ，2 4 1 1 3 忽) 。其中，4 f 3 ，2 为亚稳态能级( 激光上能级) 。4 1 9 ，2 、4 i l 协 4 1 1 3 2 都可作激光下能级，4 1 9 ，2 为n d ：y a g 的基态。当以4 i l l 2 和4 1 1 3 2 作激光下能 级时，n d ：y a g 为四能级系统，当以4 1 9 ，2 作激光下能级时，则n d ：y a g 为三能 级系统。其中波长为1 0 6 4 n m 的跃迁始白4 f 3 2 能级的r 2 分量，终于4 i l l 2 能级的 y 3 分量。 0 9 4 em1 0 倒u m1 3 。m 4 锄 a l 4 ，( y ) 4 ， 图2 1n d ：y a g 中n d 3 + 能级跃迁图 n d ：y a g 的吸收谱如图2 2 所示，对激光辐射有贡献的主要吸收带有五条。 其中心波长和对应的能级跃迁为3 ： - - 0 5 3l am ( 4 1 9 2 4 g 7 2 + 2 g 9 2 ) o 5 8l - tm ( 4 1 9 2 ，4 g 5 ，2 + 2 g 7 2 ) o 7 51 1n l ( 4 1 9 2 4 f 7 ，2 + 4 s 3 ，2 ) - - 0 81i am ( 4 i 蛇一4 f 5 2 + 4 h 9 2 ) - - - 0 8 7l am ( 4 1 9 ，2 4 f 5 ，2 ) 1 0 第二章激光晶体材料与四能级系统分析 w a v e l e n g t h 九( n m ) 图2 2n d ：y a g 在3 0 0 k 时的吸收谱 各吸收带带宽约为3 0 n m ，在o 8 1l am 附近有较强吸收。在光泵浦下，n d ”由基 态跃迁到各吸收能级后，很快通过无辐射跃迁到亚稳态4 f 3 2 ，由向下自发辐射 产生荧光。室温下n d ：y a g 在近红外区有三条明显的荧光谱线，其中心波长和 所对应的能级跃迁及荧光分支比( 每条谱线强度与总荧光强度之比) 为 - - 9 4 6 n m 4 f 3 2 4 1 9 2 2 5 10 6 4 n m 4 f 3 2 4 il l 尼 6 0 1 3 1 9 n m 4 f 3 2 4 i1 3 2 1 4 其中，1 0 6 4 n n 和1 3 1 9 n m 谱线属于四能级系统，而9 4 6 n m 谱线为准三能级系统。 2 n d ：y v 0 4 晶体特性 n d ：y v 0 4 是四方晶体，属锆英石结构，单轴晶体。其基质对n d + 3 有敏化作 用，提高了n d + 3 的吸收能力。n d ：y v 0 4 具有很强的双折射性，在a 轴切割时对 。偏振光( e 上c 轴) 和7 1 ：偏振光( e c 轴) 的吸收系数是不同的，由于最强的吸收系 数和最强的受激辐射都发生在兀偏振取向，因此常用a 轴切割兀偏振光。腔内 倍频时，振荡光的线偏振特性有利于提高输出功率1 6 j 。 n d ：y v 0 4 与n d ：y a g 晶体的光谱结构相近，其简化能级图如图2 3 所示。 室温下四条主要发射谱线的中心波长和所对应的能级跃迁为： - - - - 9 1 4 n m 1 0 6 4 n m 4 f 3 2 4 1 9 2 4 f 3 2 4 i1 1 陀 ，昌u-8苫013_器ou置o=盘io盎 l d 泵浦全固体连续绿光激光器 - 13 4 2 n m 4 f 3 2 4 i1 3 2 一18 3 9 n m 4 f 3 2 4 1 1 5 尼 其中，室温下1 0 6 4 n m 谱线是发射截面最大、增益最强的一条谱线，占绝对优 势，1 3 4 2 n m 次之，最弱是1 8 3 9 n m 和9 1 4 n m 。 1 e 兰8 0 0 0 卫 童 6 0 0 0 芎 寄4 0 0 0 山 2 0 8 a a o $ 1 a t e 0 0 9 1 4圻 1 饿4 u m1 3 4 1m 8 3 l m 图2 3n d ：y v 0 4 中n d 3 + 能级跃迁图 表2 1 和表2 2 给出了n d ：y v 0 4 晶体的物理特性和激光特性。与相同掺杂浓度 的n d ：y a g 晶体相比，n d ：y v 0 4 的硬度比较低，机械性能较差；导热性较差，热 负载受到限制，在高功率泵浦下热透镜、热畸变现象将很严重；但是，n d ：y v 0 4 是一种高双折射晶体，易产生偏振光输出，可避免n d ：y a g 出现的热双折射现象。 在激光特性方面：n d ：y v 0 4 具有较大的发射截面，在1 0 6 4 m n 处，n d ：y v 0 4 晶体的受激发射截面约为n d ：a y g 的5 倍；具有较大的吸收系数，在短程吸收 泵浦光应用方面具有更大的潜力；宽的吸收带不仅使泵浦效率更高，更易与泵 浦源匹配，还可在更宽的温度范围下运行；但是，n d ：w 0 4 激发态寿命较短， 能量存储能力较低，在调q 输出脉冲中单脉冲能量较低，不过它的短寿命适用 于更高重复频率器件【3 8 】。 表2 1n d ：y a g 与n d ：y v 0 4 的物理特性3 7 1 晶体 n d ：y a gn d ：y v 0 4 中文名称掺钕钇锚石榴石掺钕钒酸钇 晶体结构立方晶系 四方晶系 n d 3 + 原子百分比 1 1 熔点 1 9 7 0 o c1 8 1 0 1 9 4 0o c 1 2 第二章激光晶体材料与网能级系统分析 密度 4 5 6g c m 34 2 2g c m 3 莫氏硬度 8 55 折射率 1 8 3 1 0 6 u r n n o = 1 9 6 ，1 1 e _ 2 16 1 0 6 u m 8 2 1 0 击k 1 0 0 ，0 - 2 5 0 。c = 4 4 3 1 0 _ 6 k 热膨胀系数 7 7 1 0 - 6 k 【1l o ，0 - 2 5 0 。c 7 8 1 0 石k 1 1 1 ，0 2 5 0 。c a c = 1 1 3 7 1 0 - 6 k | jc ：5 2 3 w m k 热导率( 3 0 0 k ) 1 4w m k 上c ：5 1 0w m k 8 2 1 0 击kf o rn a d n d t ( 3 0 0 k ) 7 3 1 0 币k 3 9 1 0 。6 kf o rn o 表2 2n d ：y a g 与n d ：y v 0 4 的激光特性阳 晶体 n d ：y a g n d ：y v 0 4 9 4 6 n m ，1 0 6 4 n m ，9 1 4 n m ，1 0 6 4 n m ， 激光中心波长 1 3 2 0 n m1 3 4 2 n m ，1 8 3 9 n m 吸收中心波长 8 0 7 5 n m8 0 8 5 n m 1 5 n m ( ，r ) ，8 n m ( o ) 吸收线宽l n m 8 0 7 5 n m 8 0 8 5 n m 1 0 c m 1 3 7 c m 。1 ( 万) ，10 c m 。1 ( o ) 吸收系数 8 0 7 5 n m ，1 d o p i n g 8 0 8 n m ，1 d o p i n g 受激有效发射截 面 4 8 x 1 0 。1 9 c m 2 1 0 6 4 n m2 5 0 x 0 1 9 c m 2 1 0 6 4 n m 荧光寿命 2 3 0 l - t s1 0 0 i ，t s 谱线宽度 0 4 5 n m0 8 n m 1 3 l d 泵浦全固体连续绿光激光器 2 2 激光器运转模型 2 2 1 速率方程 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。 由于我们实验中采用n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 晶体作为激光工作物质，而且其 工作波长是1 0 6 4 n m ，属于四能级系统，所以我们主要考虑四能级系统。激光器 四能级系统如图2 4 所示，其激光产生过程是在亚稳态能级e 2 ( 激光上能级) 和能 级e l ( 激光下能级) 间发生的。基态能级岛上的粒子经泵浦被抽运到宽泵浦带e 3 上，然后经快速无辐射弛豫跃迁到激光上能级易。由于热平衡状态下，激光下 能级e l 上仅有按波尔兹曼分布的粒子，几乎可认为是空的，因此四能级系统易 于实现粒子数反转，有较低的阈值和较高的效率。 泵浦带 3 泵浦跃迁 基 i l i i $ 3 0 i i i i i i i ： 2 1 彳z 。：l i ：il 。易 激光跃迁 l e 1 粒子数密度 图2 4 四能级激光系统的能级简图 表征激光器腔内光子数密度和激光工作物质粒子数密度随时间变化的微分 方程组称速率方程。可用速率方程对固体激光器的工作特性作定量描述。 对于图2 4 所示四能级系统，光子数密度q 和