（光学专业论文）ld泵浦全固态紫外激光器.pdf

摘要 摘要 半导体( l d ) 泵浦的n d ：y a g 激光器是一种优良的新型光源，因具有效率高、 结构紧凑、输出稳定好、寿命长等特点，在工业、科研、军事、医疗等领域有着 广泛的应用，因此是近年来激光领域研究的热点之一。本论文围绕全固态紫外激 光器进行了理论和实验研究，并取得了一些成果，论文主要内容有以下几个部分： 1 回顾了全固态激光器的历史和发展，介绍了全固态紫外激光器的优点，总 结了目前产生声光调q 全固态紫外激光器的重要途径及取得的最新进展。 2 从谐振腔设计理论及调q 技术进行分析，讨论了l d 泵浦固体激光器的输 入输出特性及影响阈值的主要因素；结合理论和我们下面工作的要求，选择合适 的腔形及调q 方式。 3 简单介绍相位匹配原理和非线性晶体的选择介绍了一些紫外晶体的光学 特性，并阐述了光束的最佳聚焦条件，经过分析和综合评价，选择了k t p 和l b 0 分别作为倍频晶体及和频晶体。 4 结合前面的分析与总结，设计了腔外和腔内两种倍频方式。在两种方式里 边分别改变腔形和晶体的位置，得到不同功率的紫外光输出。 腔外倍频；k t p 和l b o 均在腔外，重复频率3 5 k h z 时获得了4 5 0 w 的3 5 5 n m 紫外光输出；k t p 在腔内而将l b o 放在腔外，重复频率3 5 k h z 时获得了3 0 0 m w 的3 5 5 n m 紫外光输出。 v 形腔腔内内倍频：k t p 和l b 0 分别放于两个臂，重复频率3 5 k h z 时获得了 5 4 7 m w 的3 5 5 n m 紫外光输出，若是改变光的输出方向，同样频率下输出功率3 5 5 n m 紫外光的功率为3 8 0 w ；k t p 和l b o 分别放在一个臂上，重复频率3 5 k h z 时获得 了3 8 5 m w 的3 5 5 n m 紫外光输出，若是改变光的输出方向，同样频率下输出功率 3 5 5 n m 紫外光的功率为4 2 0 m w 。 在v 形腔的基础上，设计了理论上腔内倍频效率较高的z 形腔，并进行了初 步试验。 关键词：全固态紫外激光器n d ：y a gk t p l b o3 5 5 n m a b s t r a c t a b s t r a c t d i o d e - p u r n p e d ( l d ) a 1 1 - s 0 1 i d s t a 士en d ：y a g1 a s e r sh a v eb e c o 圮ac e n 舡a lo ff o c u s 缸也ef i e l do fl a s e r sd u et o 吐屺i rm a i l ya d v a n t a g e ss i l c ha sl l i 曲e 伍c i e n c y ， c o i n p a c 恤e s s ，h i 曲s t a b i l i 吼a n dl o n gl i f e d m e t h e ya r c 、v i d e l yl l s e di nt h ef i e l do f i n d u s t s c i e m i 五cr e s e a r c h ，m e d i c a l 仃e a 劬咖，m i l i t a _ r ye t c 1 1 l i sd i s s e r t a t i o np r e s e m s r e s l l i t so f 1 e o r e t i c a l 姐de x p e r i m e m a lr e s e a r c h e so nl a s e r sb a s e do nl dp u m p e d n d ：y a gu l 仃a v i o l e tl a s e rb y 也ee x t r a c a v 时疗e q u e n c yc o l e r s i o n t h ec o n t e n t sc a l l b eo u 廿i n e da si 0 1 l o w s ： 1 t h eh i s t o r ya i l dd e v e l o p l e mo fd i o d e - p u m p e ds o l i d - s ta _ t eu l t r a v i o l e tl a s e r sa r e r e v i e w e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dv a r i o u sl a s e r m a 士e r i a l su s e dmd i o d ep u m p e d s o l n s t a t e ( d p s l ) a r ed e s c 曲e d ，a 1 1 dm ei r 面a p p r o a c h e s a i l dn c wr e s u l t so f u l 扛a - 、，i o l e tl a s e r s 、i t l ld i o d e p 砌p e da tp r e s e n ta r es l l l l l l n a r i z e d 2 at h e o f e t i c a la i l a l y s i sa n dn u m 嘶c a ls 疵向a t i o nc o n s i d 舐n gp 咖叩i n gb e a m w a i s t ，q s w i t c h ，c a v i 母d e s i g na r ep r e s e m e d c o m b i n ew i m t 1 1 et l l e o r e t i c a l 锄a l y s i s 趾dt h er e q u e s to fm n d 锄e n t a lw a v e ，t h ea p p r o p r i a t ec a v 姆a n dq - s w i 曲a r ec h o s e n 3 i r l 廿o d u c c dm ep 血c i p l eo fp h 嬲e - m a t c ha i l dt 1 1 eo 埘c sc h a r a c t e r so fk t p 、 l b oa i i do 龇rn o l l l i i l e rc r y g 虹m s ，d e m o n s 姐l t e 血eo p m n a lf o c u s i n gc o n d m o r i s b a s e d o nad e t a i l e da n a l y s i s ，k t pa n dl b 0 盯es e l c c t e da ss h ga n dt h gc y s t a l ， r e s p e c t i v e l y 4 c o m b i n e d 埘t h 舶n ta n a l y s i s ，b o me 灯踮a v 毋a 1 1 di 曲佻a v i t yf r e q u e n c y t r i p l i gh a v eb e e nd e s i g n e d t h r o u 豳c h a l l g m gt h ec a v 毋f o m a n dc r y s t a lp o s i t i o n s ， d i 伍潮1 tp o w e ru 1 廿a v o i l o to u t p ma r eo b t a i n e d e x 廿a c a v 酊t h gw h e nk t p a n dl b oa r ea l ip l a c e de x 仃a c a v i 吼4 5 0 n w3 5 5 n i n 1 1 l t r a v i 0 1 e t1 i g h ti so b 诅i n c d ，w i mt h ep u l s er e p e t i t i v ef k q u e n c yb e 血g3 5 k 比矾e n k t pi sl o c a t c di n t r a c a v 畸a n d ，h o w e v e r l b oi sp l a c e de x t r a c a v 时，3 0 0 w u n r a v i o l e ti so b t a i n e d f i g l l r e “v ”c a v i t yt h g w h e nk t pa n dl b o 踟1 0 c a t e di i l 栅。锄s r e s p e 州v e ly ，5 4 7 m w3 5 5 衄u l 仃a v i o l e tl i g h to u t p u t i so b t a i n d ，、v i t h 龇叫s e r e p e t i t i v e 舶q u e n c yb e i n g3 5 k h z c h a n g i n g 恤d i r e c t i o no f o u t p u t ，t h eo u t p u tp o w e r i s3 8 0 m w m e nk t pa 1 1 dl b oa r e1 0 c a t e do n l yi nm es 锄e 锄，5 8 5 m w3 5 5 砌 u l t r a v i 0 1 e tl i g h to u 中u ti so b t a i l l d s 砌l 盯ly ，c h a | l g i n gt h e d i f e c t i o no fo u t p u t ，t h e l l 北京工业大学理学硕士学位论文 o u l p u tp o w c ri s4 2 0 m w 。 o nt l l eb a s eo ff i g u r e “v ，c a v i 吼丘g l l r e “z c a v 时i sa l s od e s i 印e d ，w h i c hh a s t 1 1 em g h e s te m c i e n c y 龇o r e t i c a l l y ，a n ds e v e r a lp r i i n a r ye x p e r i i i l e n t sa r ec a r r i e do u t k e yw o r d s ： a 1 1 s o l i d s t a t eu l 订a v i 0 1 e tl a s e rd i o d ep u m p e d n d ：y a g t h g3 5 5 i l i i l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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了谢意。 签名 关于论文使用授权的说明 日期：2 q 鳗生旦 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名辎靳虢握 第一章绪论 第一章绪论 自从六十年代激光器问世以来，固体激光器飞速发展，尤其从八十年代中扁 期，随着激光二极管( l d ) 的问世，激光二极管泵浦的固体激光器( d p s l ) 由 于具有显著的优点而逐渐成为人们注目的焦点，特别是全固态绿光、紫外激光器 的研究更是吸引了众多的科研工作者，一些性能优良的全固态激光器己走出实验 室，走向商品化，在本章中，我们首先对全固态激光器的历史、发展进行了回顾， 然后对全固态紫外激光器的发展现状和应用前景作比较全面地总结。 1 1 全固态激光器的历史与发展 自从1 9 6 2 年第一支激光二极管产生以后，人们就产生了用激光二极管作为 固体激光器泵源的思想 i o1 9 6 4 年美国m 玎林肯实验室k e y e s 【4 等人首次在实验 室实现了这一想法。由于当时l d 性能不完善，整个装置必须置于液氮环境下， 而且整体效率也不高。1 9 6 8 年，麦道公司的r d s s 等人实现了第一台l d 泵浦的 n d ：y a g 激光器唧。室温下实现波长匹配的全固态y a g 激光器到1 9 7 2 年才得以 实现h j 。 8 0 年代以后，随着分子束外延( m b w ) 、金属有机物化学气相淀积 ( m 0 c v d ) 等晶体生长新技术的日益成熟和量子阱结构的出现，使得l d 的阈 值电流明显降低，转换效率和输出效率成倍增长，使用寿命也显著增长。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。高功率、高效率的l d 的发展使全固态激光器从8 0 年 代末起迈上了个新台阶，研究内容几乎涉及到了激光技术领域的各个方面：利 用调q 和锁模技术可产生峰值功率达几十k w 的皮秒级超短脉冲；利用短薄片腔、 环形腔或扭转模腔等方法可实现激光器的单频运转；利用倍频、和频和参量等频 率变换技术可获得更大波段范围的激光输出。 进入9 0 年代以后，d p s l 的研究重点已经转向实用化和商品化。大功率光 纤耦合半导体激光器的发展使端面泵浦也不再局限于小功率激光器，利用多个 纤耦合半导体激光器的发展使端面泵浦也不再局限于小功率激光器，利用多个 北京工业大学理学硕士学位论文 l d 多向端泵可获得1 0 0 w 以上的单横模激光输出i 引。同时，d p s l 的输出波长覆 盖范围也大为扩展，从中红外一直到远紫外波段。目前，6 0 w 的集成化带光纤耦 合输出的l d ( 8 0 8 n m ) ( o p c ) 和峰值功率3 5 0 k w 的l d ( 麦道公司) 己经商品 化。如何提高光一光转换效率和通过什么技术路线获得高效率的短波长的全固态 激光器成了d p s l 研究的另一项主要的研究方向。我国在半导体抽运n d ：y a g 晶 体的内腔倍频连续绿光方面取得了显著成绩，获得5 w 以上连续绿光输出嘲，l d 泵浦的声光调制n d ：y a g 晶体腔内倍频转换效率也达到了1 7 5 吼在此基础上， 我们选择了对声光调制、l d 泵浦的n d = y a g 激光器进行倍频转换。除了腔设计 及其它要素外，要获得理想的紫外光输出，起频率转换作用的非线性紫外晶体也 很重要，后面我们列举了几种常用非线性紫外晶体的基本特性。本论文主要研究 全固态紫外激光器，将在第四章作详细介绍。 1 2 全固态调q 紫外激光器的概况 紫外激光器在光谱分析、光数据存储、光盘控制、大气探测、光化学、光生 物学及医疗等领域有着广泛的应用前景。高平均功率全固态调q 3 5 5 姗激光器在 微电子、激光加工、光刻技术、精密材料加工等领域应用广泛，如在电路板加工 与立体印刷方面。电路板加工要求紫外激光在高重复频率时提供大于3 0 0uj 的 脉冲能量；立体印刷技术要求的是平均功率( 一般在0 4 1w 之间) ；而一般的激 光材料加工要求的平均功率在5 1 0 w 水平。最初，紫外波段的激光主要是通过 准分子激光器获得的，当然能产生紫外波段激光的还有n 2 激光器及三、四倍频 n d ：y a g 激光器等。随着半导体泵浦源全固化激光功率的提升、器件的成熟及商 品化，以及非线性频率变换效率的提高，半导体泵浦紫外激光逐渐成为最有前途 的紫外光源。也正是因为半导体( l d ) 泵浦的全固态n d ：y a g 三、四和五倍频 紫外光源具有效率高、高重复率、性能可靠、小型化、寿命长、较好的光束质量 及较高的功率稳定性等特点，所以研究l d 泵浦的全固态紫外激光器具有非常重 要的意义。各种应用的不同需求已导致紫外激光器着重向高重复频率( 准连续) 和高输出功率的方向发展。 紫外光的短波长对于微加工应用有两个优越性： 第一章绪论 1 较短的波长能够加工更小的部件。光束的衍射现象是限制加工部件最 小尺寸的主要因素，最小可达到的聚焦点的直径随着波长的增加而线 性增加。 2 高能量的光子可以直接破坏材料的化学键。紫外光加工材料过程称为 “光蚀”效应，高能量的光子直接破坏材料的化学键，是“冷”处理 过程，热影响区域微乎其微；相比之下，可见光和红外激光器利用聚 焦到加工部位的热量来熔化材料，热量经过传导会影响到周围的材 料，产生热影响区域。 良好的聚焦性能和冷处理两个优点结合在一起，使得紫外激光器可以加工极 其微小的部件；不仅如此，由于大多数材料都能够有效地吸收紫外光，从而紫外 激光器有更高的灵活性和更广的应用场合，可以被用来加工红外和可见光激光器 加工不了的材料。 这些优越性使紫外激光器成为加工薄橡胶和塑料制品之类脆弱物质的理想工 具。也使对从金属到半导体等许多物质进行打孔、切割和在其上作精确的标记成 为可能。许多年来，波长为1 0 6 4 n m 的闪光灯泵浦n d ：y a g 激光器占据着激光标 刻市场，通过在材料表面产生热蚀来形成标记，从而不可避免的在材料表面留下 炭化区或其他形式的损伤。波长为3 5 5 m 的紫外光则通过促使塑料内部的颜料发 生光化学变化，改变内植颜料的光谱特性( 由反射改为吸收) 在材料表面产生高 对比度的标记，从而不会损伤材料表面。紫外激光器在医疗和食品器械制造和应 用方面具有很大的优越性，因为上述器械要接触食品和人体的体液，不能允许表 面破损，否则会容留细菌，而紫外加工过程不会损坏材料表面。另外，半导体泵 浦l 司体激光器在刻写序列字符时比准分子激光器要便利和快速的多。l a s e n e c 公 司开发了以其作为激光光源的高速矢量刻写系统，在刻写字母、条形码和标志图 样时，扫描速度可以超过2 0 0 0 毫米秒；在各种不同塑料上刻写速度可超过每秒 1 0 0 个字符。全固态紫外激光器在电子元件封装方面应用广泛，比如在聚合物合 同的层布式电路板上钻细小的孔、切割和刻划聚酰亚胺柔性电路，以及在医用塑 料，比如导液管上标刻和钻孔。最新的电子封装需要在电子线路板上钻小孔，成 为微孔成形，其直径在1 0 7 5 微米范围内。尽管一台i ：r f 准分子激光器也可以使 用掩膜法用大致相同的脉冲数来完成打孔的工作，但是特制的全固态紫外激光器 北京工业大学理学硕士学位论文 的脉冲重复频率比准分子激光器高2 0 倍，加工速度也快得多。对于大到几百微 米的孔，可以使用振镜系统矢量扫描法来一步步精雕细琢，所以加工出的孔非常 圆，边缘非常光滑。紫外激光器的这种精细加工的能力更是由于会聚光斑的最小 直径直接正比于激光的波长，因此，更短波长意味着更高的空间分辨率。 在大多数紫外微加工应用中，只有脉冲激光器才能达到冷熔所需要的峰值功 率阈值。因此，理想的激光器应该工作在短脉冲状态( 脉宽小于4 0 n s ) ，同时， 为了提高加工效率，重复频率越高越好。 过去，紫外激光的唯一来源是气体激光器：准分子激光器以脉冲方式应用， 离子激光器和氦一镉激光器以连续方式获得。如八十年代及九十年代常用的紫外 激光器是：x e f ( 3 5 1 n m ) 、x e c l ( 3 0 8 n m ) 、心f ( 2 4 8 衄) 等准分子激光器，其中较为 成功的是x e c l 准分子激光器。然而这些激光器都存在着诸如体积庞大、效率低、 可靠性有限、寿命短、高能耗和高设备费用。而且，准分子激光光束质量差，需 用遮光膜，损失9 5 或更多的能量。氦镉激光器和离子激光器也有光束方向稳 定性差的缺点。这些缺陷严重限制了其应用领域的推广。 如今，由激光二极管抽运固体激光器的技术已出现极大的进步。在改善激光 器的光学机械模式和使泵浦光耦合到激光晶体方面的设计优化已取得重大成就， 得到的紫外光束具有高峰值功率、模式质量好和长期稳定性的特点。再加上紫外 非线性光学晶体的涌现，使发展输出波长约3 5 5 m n 、2 6 6 n m 、2 1 3 m 的全固态紫 外激光器成为可能。 相干公司研制了第二代高功率3 5 5 m 半导体泵浦固体激光器a v i a 。a v i a 在1 5 k h z 时可以得到最大的平均功率( 1 5 w ) ，在重复频率从6 k h z 到2 5 姐z 时 平均功率都能保持在大于1 w 的水平；重复频率从单脉冲上升到大于4 0 k h z 时对 光束质量和脉冲一脉冲稳定性几乎没有任何影响，脉冲宽度在0 到1 0 0 k h z 频率范 围内都小于4 0 n s ，从而保证了高的峰值功率。相干公司研制了频率为1 0 0 h z 的 n d y a g 激光器。该激光器采用了二次和四次谐波晶体，产生波长2 6 6 衄，功率 为5 w 的极稳定和均匀光束质量的激光。该激光器采用硼酸铯锂( c l b o ) 晶体， 由于热相移效应增加可接受带宽并增加其损伤阈值，所以该晶体具有很高的性 能。该激光器工作在2 6 6 n m 波长可长期保持极好的平均功率稳定性，连续工作 5 0 小时，功率偏差不超过5 。 第一章绪论 1 9 9 5 年，m o k a 等人利用b b o 晶体在连续波模式下获得了1 5 w 的2 6 6 砌 紫外激光输出【8 】：从1 9 9 6 年起，人们的研究重点放在了新发明的紫外激光晶体 c l b 0 上，利用c l b o 晶体在重复频率为1 0 h z 、1 0 0 h z 时先后获得了5 w 、9 7 w 和1 0 6 w 的2 6 6 呦紫外激光输出【9 0 1 】；由于高重复频率使热效应和热吸收对晶体 的破坏和缺少高亮度的全固态绿光激光器泵浦源的限制，k h z 的紫外光的输出功 率一直比较低，9 7 年在重复频率为1 k h z 时获得了2 5 w 的输出【1 2 】；9 8 年在5 k h z 获得了6 6 w 【”l ：2 0 0 0 年，日本的1 1 e t s u ok o j i m a 等人利用高亮度的全固态绿光激 光器( 1 0 k h z 时1 0 0 w ) 和改进后高质量的c l b o 晶体获得突破性进展，得到了 2 0 w 的2 6 6 啪紫外光输出【1 4 】，c l e 0 2 0 0 1 会议上报道输出提高到2 3w 15 1 。 对于3 5 5 n m 的紫外光，通常采取腔外或外腔和频的方式获得。1 9 9 7 年，c l e o 会议报道了8 8 w 的重复频率为6 z 的3 5 5 n m 的输出【1 6 】；国内在全固态紫外激 光器研究方面还刚刚起步，中科院物理所用全固态准连续绿光激光器对b b 0 晶 体倍频，得到3 3 5 m w 的紫外光【1 7 l ，在国际上首次利用i l s 激光器对l o 圆0 晶体 进行了四倍频研究，并获得有效紫外光输出【l “。我们利用l d 泵浦n d ：y a g 晶体， 腔内声光调q 产生1 0 6 4 眦准连续波输出，腔外用1 0 r p 晶体倍频产生5 3 2 n m 的 激光输出，再用l b o 晶体进行三倍频。产生最高平均功率为4 5 0 m w 的3 5 5 啪 紫外输出，绿光到三倍频的转换效率为8 ，稳定度优于1 。将k t p 晶体、l b o 晶体放到腔内，用腔内倍频产生平均功率高达5 4 7 m w 的3 5 5 n m 紫外激光，重复 频率3 5 k h z ，脉宽4 0 n s 。这是国内获得3 5 5 砌激光平均功率的最佳结果。 北京工业大学理学硕士学位论文 第二章谐振腔设计理论及调q 技术 谐振腔理论和速率方程理论是进行激光器设计的重要依据，本章首先阐述v 型折叠腔的设计理论【1 9 2 0 】，然后从速率方程出发，对调q 激光器的峰值功率、 脉冲能量与脉冲的时间特性等参数进行分卡斤【2 1 2 1 ，最后研究声光调q 技术口3 1 。 2 1 折叠谐振腔设计理论 在激光器中，光学谐振腔是实现正反馈、选模和起输出耦合作用的部件，它 直接关系到激光的输出功率、模式特性、稳定性和光束质量，并最终影响到所获 得激光的应用效果。文献【2 4 】列举了在固体激光器的研究中光学谐振腔受到广泛重 视的原因： 1 激光器的能量( 功率) 提取效率主要由谐振腔决定，选择合适的几何结构和 对谐振腔的优化设计可以提高提取效率，从而可以提高激光器的总效率。 2 激光器的输出光束质量也与谐振腔有关，而提高输出功率( 能量) 和光束质量 的要求又常是有矛盾的。针对不同固体激光介质及其几何结构和输出功率要 求，须选择合适的谐振腔，才有可能获得满足实际应用要求的高光束质量激 光输出。 3 在某些实际应用中，工作环境不理想，这就要求激光器对因机械振动、热扰 动等引起光腔的失调不敏感，需要研究对失调不敏感的光学谐振腔。 4 固体激光器的热效应( 包括热透镜效应、热致应力双折射和退偏等) 是一个 必须认真考虑的问题，为此需要研究含热透镜谐振腔的动态工作特性和动态 稳定性，以及应力双折射和退偏补偿等问题。 j s 吲轴1 等最先提出了热稳腔、动态稳定腔( d y n a 面cs t a b l er e s o n a t o r ) 的概 念【2 5 埘】，在这种腔中激光介质内的基模半径对于热焦距的变化不敏感。v m a g n i 等对于灯泵浦固体激光器谐振腔的设计进行了深入研究，发现热稳条件下激光介 质内基模半径与腔的热稳范围存在反比关系口m 8 1 。另外，腔内倍频的输出功率 第二章谐振腔理论及调q 技术 与倍频晶体上基频光束的腰斑成反比，即基频光束尺寸越小，越容易获得高功率 的倍频激光输出。不过聚焦点也不是越小越好，而是存在一个聚焦函数，在后面 的章节里会详细介绍最佳聚焦条件。对倍频晶体k t p 和l b o 而言，最佳聚焦点 光斑大小约为几十微米，而增益介质处腔模半径大约几百个微米，因此用简单的 共轴直线谐振腔是无法同时满足这两个条件的。而利用折叠腔可以很好地解决这 一矛盾，另外折叠腔还可以实现双通倍频、单向输出，大大提高倍频效率，同时 可以使激光晶体与倍频过程分离而避免激光晶体对倍频光的吸收，因而在高功率 腔内倍频激光器中获得了大量的应用。 在谐振腔光路中，当使用反射镜将光路折叠时就构成折叠腔。折叠腔是驻波 腔，另外由于折叠反射镜一般工作在离轴位置而引入像散，因此折叠腔又是像散 腔。折叠腔内的光束具有以下传输特性【2 0 】： 1 高斯光束可以作为稳定折叠腔内的本征模存在。不考虑像散时，可以按照对 一般多元件光学谐振腔的方法对折叠腔进行分析。在腔的两端，高斯光束等 相位面的曲率半径等于反射镜的曲率半径。 2 考虑像散后，弧矢面和子午面内高斯光束的模参数不同，稳定折叠腔内的本 征模式为椭圆高斯光束，像散造成稳定区域的减小。 下面我们采用a b c d 传输矩阵理论和譬参数方法来讨论三镜折叠腔的光束 传输特性及稳定性条件，图2 1 即为三镜v 形折叠腔光路示意图。在不考虑像散 的条件下，折叠腔可以展开为多元件直腔来分析，以镜m l 为参考面，可以将图 2 1 所示的折叠腔等效为图2 2 所示的直线腔。 卜1 3 图2 1 三镜v 形折叠腔示意图 1 北京工业大学理学硕士学位论文 h 2 h 3 图2 - 2 与图2 1 等效的直线腔 假设m l 与m 2 之间的距离为 ，m l 与m 3 之间的距离为f 2 ，m l 与m 3 的曲率 半径分别为r 1 和飓，m 2 的焦距为，光线在腔内往返一周的变换矩阵为 m = ( 詈三 = ( ： 一：j r ，? ( ：； 一2 j r 。? c ：一- ， 其中 ( = ( ：缜0 一( = 1 一蔓 1 由商斯光束自身再现条件可求得谐振腔的稳定性条件为 j 型 1 用g 参数法表示则为 o 蜀9 2 l 目和9 2 的表达式分别为 鲈卜争一去 铲卜争音 式中 ，= + z ：一警= 6 m l 与m 2 之间的腰斑半径 嵋= 等罴 柬腰与镜m 】的距离为 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 鸣 卜 第二章谐振腔理论及调q 技术 f o l ：- 导 磐 ( 2 _ 9 ) 1 一百万西二j 石i 士” 镜m 1 处的光斑半径 嵋等丽 ( 2 _ 1 0 )1 万g l ( 1 一9 1 9 2 ) 、 另一分臂m 2 小d 3 之间的腰斑半径 畦一+ 等孝糍 函m 石d 。g l + 9 2 2 c 姆1 9 2 束腰与m 3 的距离为 k 2 著糙 p 镜m 3 处的光斑半径为 w 江等j 志 ( 2 - 1 3 ) 2 厅、9 2 ( 1 一g 1 9 2 ) 1 。7 上述公式是在没考虑像散的情况下求得的。在实际情况中，由于光束对折叠 腔( 平凹镜) 斜入射会不可避免的造成入射面的子午面和弧矢面的光束通过平凹 镜后的会聚点不重合而产生像散。这时，折叠镜在弧矢面和子午面的焦距不同， 分别为 正：熹 ( 2 - 1 4 )，s 2 五忑 ( 2 1 4 ) ，：坐罢( 2 - 1 5 ) jf - 1 0 ， 式中胄为腔镜凹面曲率半径，d 为折叠角，下标s 、r 分别表示弧矢面和子午 面。像散会造成输出光束质量的降低，因此在腔结构设计中需要考虑高斯光束在 折叠腔中的像散补偿问题，即光束在腔中往返一周后，弧矢面和予午面的等位相 曲率半径和光斑半径分别相等。同时还要使腔内光束满足 竺掣 1 ( 向力( 2 1 6 ) 以保证激光器能够稳幸运转。 北京工业大学理学硕士学位论文 2 2 调q 基本原理与技术 2 2 1 基本原理 普通脉冲固体激光器输出的脉冲是由许多振幅、脉宽和间隔作无规则变化的 尖峰脉冲组成的。通常的激光器谐振腔的损耗不变，当反转粒子数达到或略超过 阈值时激光便开始振荡，上能级的粒子数因受激辐射而减少，被限制在阈值反转 数附近，因而每一个尖峰脉冲都在阈值附近发生，而且脉宽很窄，激光器输出的 能量分散在这样一系列的脉冲当中，因而不能获得很高的峰值功率。如果我们在 激光器开始泵浦的初期将阈值调得很高，便可以抑制激光振荡的发生，从而可以 使上能级反转粒子数积累很多。当反转粒子数积累到最大时再突然把阈值调到很 低，上能级积累的大量粒子便雪崩似的跃迁到低能级，在极短的时间内将能量释 放出来，这样就可以获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 w d 以。 玩血 a 厶 谚 妒m “ 西m j n 1 0 o 印 第二章谐振腔理论及调q 技术 图2 - 3 调q 脉冲建立过程 用v 0 表示激光的中心频率，矿表示腔内存储的能量，6 表示光在腔内单次传 播的能量损耗率，n 表示介质的折射率，三表示谐振腔腔长，c 表示光速，则激 光器的品质因数可以表示为 栅。赢= 等 忉 一 ”毋您以瓯 、7 可见当激光波长和谐振腔腔长一定时q 值与腔的损耗成反比，而阈值又与 损耗成正比，所以我们可以通过改变谐振腔的q 值的方法来改变激光器的阈值。 在泵浦开始时使谐振腔处于低q 值状态，即提高振荡溺值使振荡不能形成，上 能级的粒子数得以大量积累，能量可以存储的时间决定于上能级的寿命，当积累 到饱和值时，突然减小腔的损耗，q 值突增，激光振荡迅速建立，上能级粒子数 在极短的时间内被消耗，转变为腔内的光能量，从输出端以单一脉冲的形式释放 出来，获得峰值功率很高的巨脉冲。图2 3 给出了这一过程中各个参量随时问的 变化情况，其中睇为泵浦速率，胛表示反转粒子数密度，西表示腔内光子数密 度。 2 2 2 速率方程 速率方程是描述谐振腔内光子数和工作物质反转粒子数随时间变化规律的 方程组，借助于速率方程我们可以分析调q 脉冲的形成过程以及各种参量对激 光脉冲的影响。用g 表示腔内自发辐射波型数，矿表示受激跃迁几率。4 表示自 发辐射几率，一般激光器的三能级系统速率方程为【1 9 警地t 2 n 争2 叫 ( 2 _ 1 8 ) 警咄争却 ( 2 - 1 9 ) 四能级系统的速率方程为 1 9 】 警邓 以争叫 ( 2 _ 2 。) 警地争却 ( 2 _ z ) 在q 突变过程中，激光器处于急剧变化的瞬态过程，激励和自发辐射两种 北尿工业大学理学硕士学位论文 过程的影响可以忽略。由于粒子受外界激励在能级间跃迁主要集中在两个能级之 间实现粒子数反转，所以三能级系统和四能级系统均可用二能级系统的简化模型 来分析。我们假定q 值是阶跃式突变的，则上述速率方程可简化为 警：_ 2 忍罟 ( 2 - 2 2 ) 田 g 。 7 警柏詈一劬 ( 2 - 2 3 ) 令却出= 0 ，得稳态振荡时闽值反转粒子数密度 觚= 丢g ( 2 2 4 ) 将其代入( 2 2 2 ) 和( 2 - 2 3 ) 得调q 激光振荡的速率方程 警：- 2 鲁影 ( 2 - 2 5 ) d th j + 1 警- 【等一声 陆：s ， 2 2 3 速率方程的解 下面我们分析调q 激光脉冲的一些重要参数，假定腔内损耗占在时间上有 一突变，是如图2 3 所示的阶跃函数。在产0 以前的过程只是准备了初始反转 粒子数密度m 这个初始条件，我们研究卢0 以后的变化过程。由( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 可以得到 羔：丢f 等一， ( 2 - z ，) d 曲2 i 血j ”7 在产o 时刻，n 到达最大值埔，而受激辐射光子数仍为零，之后西开始增 加，雪崩过程形成后西急剧增长，”剧减。对上式积分 肛= 抗，一 幽 p 2 s ， 得光子数密度 矿= 舢一曲地n p z ， 到p 时刻玎= m ，腔内光子数密度达到最大值 1 2 第二苹谐振腔理论及调q 技术 斗，也m ，- n 用泰勒级数展开，整理后得到近似表达式 寺( 等一- 2 可见吼。与( 彬嘶) 存在二次方关系，提高初始反转粒子数与阂值反转 粒子数的比值有利于腔内最大光子数的提高。 每个光子的能量为 y ，近似地认为这些光子在腔内的寿命为岛的时间内逸 出，则激光的瞬时功率 肚半= 筹卜一血他，n 矧 陋s z ， 当”= 协时输出功率达到最大值，即峰值功率 = 笔( 肾 觚h 刳 假设激光脉冲在产驴时刻结束，这时的反转粒子数密度为坳在( 2 2 9 ) 中令 西= 0 ，”- 唧得 筹= 唧( 警 l知，j 、7 用v 表示激活介质的体积，则调q 脉冲的总能量 e ：半a ( 2 _ 3 5 ) 一般情况下有h 协所以调q 脉冲能量随( 挖出嘶) 的增大而线性增 加。母对一个调q 脉冲能够从激活介质的储能中提取多大比例的能量是没有贡 献的，剩余的反转粒子数在巨脉冲结束后以荧光的形式散掉了，我们以单脉冲能 量利用率来表示调q 脉冲可以从介质中提取的能量的比例，其表达式为 叩2 _ x ( 2 蛳) 由( 2 2 5 ) 可以得到 西= 一害幽 ( 2 - 3 7 ) 2 撑酗 、 北京工业大学理学硕士学位论文 将上面求得的西的表达式代入并积分，便可以得到调q 脉冲的宽度 址一当面丽i 篇再面网 p s 8 ) 址叫觇砑瓯面j 纛再i 面碉 o 。8 ) 该方程不易直接得出解析解，可以根据初始值( n 越珑) 利用数值积分来求 得f 的数值解。 通过上面的分析可以看出，在调q 激光器中，( h 血，) 是一个非常重要的参量， 它直接影响到输出功率、脉冲宽度和总体效率。在进行调q 激光器的设计时， 应当尽可能地提高抽运速率以增大血，同时还要选择效率较高的工作物质和合 适的腔结构以减小曲，和其它损耗。 2 2 4 调q 方式 按照能否人为控制q 开关的延迟时间，可以将调q 技术分为主动调q 技术 和被动调q 技术。主动调q 包括转镜调q 、电光调q 和声光调q ，被动调q 主 要是指可饱和吸收体调q 。按照q 调制的开关时间与脉冲建立时间的关系可以 将q 开关分为快开关和慢开关两种类型。转镜调q 的开关时间与脉冲建立时间 近似相等，属于慢开关类型。电光调q 、声光调q 和可饱和吸收体调q 的开关 时间小于脉冲建立时间，属于快开关类型。 转镜调q 结构比较简单，成本较低，无插入损耗，也不存在光损伤问题， 可用于能量较大的脉冲激光器中，能够获得峰值功率在几十兆瓦以上、脉宽为纳 秒级的巨脉冲；其缺点是容易产生多脉冲、噪声大、寿命较短且对装配工艺要求 较高，目前已基本被其他方式的q 调制技术所取代。电光调q 能产生窄脉冲， 同步性能好，寿命长，可获得峰值功率几十兆瓦以上、脉宽十几纳秒的稳定的巨 脉冲；缺点是需要几千伏的高压脉冲，易干扰其它电子线路。可饱和吸收体调o 结构简单、使用方便，可以获得峰值功率几兆瓦、脉宽几十纳秒的巨脉冲；不足 是产生调q 的时间有一定的随机性，输出稳定性欠佳。声光调o 的调制电压 需一百多伏，可获得峰值功率几百千瓦、脉宽几十纳秒、重复率在千赫兹量级的 巨脉冲，我们在实验中就采用这种q 调制方式。 第二章谐振腔理论及调q 技术 2 2 5 声光调q 声光调q 器件由驱动电源、电一声换能器( 又称超声换能器) 、声光介质和 吸声材料组成。当超声波通过声光介质时，光弹性效应将超声波的调制应变场耦 合到光学折射率上，这就相当于光学相位光栅，其光栅周期等于声波波长，所得 的振幅正比于声波振幅。光束入射到此光极上时，有一部分光强将会因衍射雨偏 离出光束，射向一个或多个离散方向。只要选择合适的参量，就可以使衍射光束 偏离出谐振腔，从而产生足以使谐振腔q 值突变的能量损耗。通常利用压电换 能器将电能转化成超声波，并射入声光介质，这时激光器处在低q 值状态，不 能产生振荡。切断换能器的驱动电压后，声光介质在无超声波通过的情况下回到 高透射率的常态，激光器就发射出调q 脉冲。 根据光波波长上和声波酌波长以以及光波与声波场相互作用的距离l ，可以 观察到两种不同类型的衍射效应一拉曼一耐斯( 胁- a 1 1 n a n l ) 衍射和布拉格 ( b r a g g ) 衍射。 1 拉曼一耐新衍射 当光波与声波场相互作用的路径很短，或者超声波频率很低时就出现拉曼一 耐斯散射。当光束与超声波垂直时，可以观察到最大的光散射，光束对称地散射 在很多衍射级，各级的光强为 = 厶以( 庐)( 2 3 9 ) 式中而为入射光强，矗为第m 阶贝塞尔函数，庐：里掣为光波穿过超声场产 生的附加的相位延迟因子，其值为 妒石( 丢吉蚍厂 北京工业大学理学硕士学位论文 式中d 为声光介质的厚度，p 。为超声波功率， 是为声光介质材料参量的品质因 数： m ：等( 2 删 p y ： 式中p 为介质光弹性系数，p 为介质的密度，v 。为声光介质中的超声声速。 2 布拉格衍射 a朋， 2 l e 1 t 图2 5 布拉格衍射 当超声波的频率较高，相互作用的路径较长时，较高级的衍射就会消失， 只剩下零级和第一级衍射光，即产生布拉格衍射。在布拉格衍射中，光束相对声 波偏离垂直入射，以布拉格角相互作用，布拉格角为 s i n 目= 鲁 ( 2 - 4 2 ) 2 人 、7 上式中各物理量均是在介质内测得的，若以在介质外的值来表示，入射光与声波 之间的夹角就是p 1 = 力口，且散射角为 2 口= 2 一目! ( 2 4 3 ) a 7 布拉格衍射的声光衍射效率为口3 1 叩= 砉墒2 从上面的式子可以看出，衍射功率的大小取决于以五磊表示的材料参量、相 互作用路径的长度与宽度之比以及超声波的功率。虽然熔融石英的品质因数 较小，但它具有光学质量好、抗损伤阈值高和对1 0 6 4 啪光波的通光性能好等优 点，因而获得了广泛应用，目前大功率声光调q 激光器多选用它傲声光介质。 声光介质的光弹性系数尸取决于光束相对于超声波传播方向的偏振面以及超声 波的类型，即径向波或剪切波。通常用剪切波器件对n d ：y a g 等非偏振的激光系 统进行q 调制，对于偏振激光辐射则使用纵向调制器件。由于径向q 开关中的 第二章谐振腔理论及调q 技术 p 1 2 系数较大，所需要的射频功率大大低于剪切波器件的功率，所以也曾对非偏 振的激光器进行q 调制。 根据主动调q 理论口”，对四能级系统，在声光调q 的重复频率为，时， 激光器的平均输出功率 尸= 墨h 幽，咖 ( 2 - 4 s ) 单脉冲能量 e = 矗，一。k 脉冲宽度 2 三i 珂；一九， o2 万硇瓯专打孟确p 4 7 ) 式中丁为输出耦合透过率，三为谐振腔的其它损耗，三为谐振腔的光学长度。 为了获得最大的输出能量，就必须使q 开关从高损耗状态到低损耗状态转换 所需要的时间短于调q 激光脉冲建立所需要的时间，这样输出激光的能量就不 会因为q 开关引起的衍射而产生较大的损耗。声光q 开关全部关断的时间主要 由声波通过光束的度越时间决定，当超声波在熔融石英中传播时，典型的声速值 为5 蚰 1 1 u s ，它通过l m m 的距离大约需要的时间为2 0 0 n s 。这一时间比很多激光 系统中调q 脉冲形成的时间都要短，但还不能满足某些高增益激光器的要求。 所以声光q 开关一般用于增益较低的连续激光器，一般重复频率可以达到 1 2 0 k h z 。如果声光调q 激光器的泵浦功率太大，q 开关就有可能不能有效关断 而产生静态激光，使巨脉冲的输出特性变坏。只有在提高声光衍射效率的条件下， 才能进一步增加泵浦功率以获得较高的峰值功率。 北京工业大学理学硕士学位论文 第三章二次谐波产生理论与非线性晶体特性 固体激光器直接产生的波长几乎都在近红外区，要获缛紫外激光就必须利用 非线性光学晶体对其进行频率变换。本章阐述二次谐波产生的机理，分析相位匹 配原理和方法，以及相位匹配宽度问题，并介绍常用的几种非线性晶体的特性。 3 1 二次谐波产生理论 3 1 1 非线性光学效应 光与物质相互作用的过程可以看成两个分过程：光波场引起物质响应的过程 和所产生的响应作为辐射源产生辐射的过程。光场强度较弱时。仅能引起物质的 线性响应，而当光波强度可以与原子内的平均场强相比较时