（光学专业论文）高功率nd：yag激光器及其光纤耦合系统的理论与实验研究.pdf

摘要 本文主要研究目的是多向l d 阵列侧面泵浦大尺寸棒状n d ：y a g 激光介质，对称平 行平面谐振腔获得高功率连续基频1 0 6 4n l n 激光，及其光纤耦合系统的设计。 模拟了多向l d 阵列侧面泵浦激光棒的泵浦能量沉积分布，为利于谐振腔基膜 t e m 0 0 的模式匹配( m o d e m a t c h i n g ) ，应选取多向、大束腰泵浦光、小吸收系数激光棒 的泵浦结构参数。 分析了棒状n d ：y a g 激光介质的热光效应，按热负载在激光棒中均匀分布和侧面冷 却热传导方程的解，得到了温度引起的折射率变化、热应力引起的光弹效应和端面形变 的等效热透镜焦距。按类透镜介质的传输矩阵表示热透镜，计算了含有热透镜平行平面 谐振腔的往返传输矩阵，分析了谐振腔稳定性，试验获得的激光功率曲线上类似拐点与 谐振腔的稳定性分析相一致。 用凹面激光棒和螺纹激光棒进行了实验研究，分析了各自的优缺点。凹面棒不能在 激光器工作的整个动态范围对激光棒的热透镜很好的补偿，螺纹棒增加了散热表面积和 热传导系数，能改善激光棒的散热，降低激光棒内的温度。使用螺纹棒获得了 b 一= 9 1 5 w 高功率激光输出，总斜率效率是r = o 1 7 1 。 按混合模类高斯分布( g l d ) 、a e s i e g m a n 的二阶距柬宽定义和激光主光轴坐标 系下光束参数( 束腰、束宽、远场发散角和衍射极限倍因子m 2 ) 在实验室坐标系下的 计算方法，阐明了基于狄度直方图测量激光光束参数的方法，测量了h e - n e 激光器衍射 极限倍因子分别是m ：= 3 8 7 和m ：= 4 4 2 按类高斯光束( g l b ) 的a b c d 定律和z e m a x 软件优化，给出了倒置伽利略望 远镜加聚焦透镜的光纤耦合设计，耦合系统望远镜采用球面、聚焦透镜采用球面与非球 面( 二次曲面) 结构，系统像差( 主要是球差) 小，光纤耦合效率高。 关键词：l d 侧面泵浦，热透镜，螺纹激光棒，激光光束参数，光纤耦合 a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l ya i m st oh i 曲p o w e rc o n t i n u o u sf u n d a m e n t a l 仔e q u e n c yn d ：y a gl a s e r w i t hl da r r a ys i d e p u m p e dl a s e rr o d ，s y m m e t r i c a lp a r a l l e lp l a n er e s o n a t o r ，a n dl a s e ro p t i c a l f i b e rc o u p l i n gs y s t e m s i m u l a t et h ep u m pe n e r g yd e p o s i t i o no ft h el da r r a y ss i d e - p u m p e dl a s e rr o d f o rt e m 0 0 m o d em a t c h i n g ，p u m pc o n f i g u r a t i o ns h o u l du s el a r g ew a i s tp u m pb e a ma n ds m a l la b s o r p t i o n l a s e rr o d a n a l y z e dt h e r m o o p t i ce f f e c to ft h en d ：y a gl a s e rr o d ，a c c o r d i n gt ou n i f o r mh e a tl o a di n t h el a s e rr o d a n dh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o nv i as i d ec o o l i n g t h eo p t i c a ld i s t o r t i o n si nl a s e rr o d w h i c hi sc a u s e db yt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lp h o t oe l a s t i cd e p e n d e di n d e xc h a n g ew a s e q u i v a l e n tw i t hat h e r m a ll e n s ，f o c a ll e n g t hw a sc a l c u l a t e da n dm e a s u r e df o rf u r t h e rs t u d y a p p r o x i m a t e dt h et h e r m a ll e n st ot h el e n sl i k em e d i u m ，t h es t a b i l i t yo ft h ep l a n ep a r a l l e l r e s o n a n tw i t hat h e r m a ll e n sw a sa n a l y z e db yr o u n d - t r i pr a yt r a n s f e rm a t r i x t h el a s e ro u t p u t p o w e r c u r v e sw e r ec o n s i s t e n t 、析t ht h er e s o n a t o rs t a b i l i t ya n a l y s i s a n e x p e r i m e n tc o m p a r ew i t hac o n c a v e dl a s e rr o da n dag r o o v e dl a s e rr o dw e r es t u d i e d t h ec o n c a v e dl a s e rr o di sd i s a d v a n t a g ef o rc o m p e n s a t i n gt h et h e r m a ll e n si nt h ee n t i r e d y n a m i cr a n g e ；t h eg r o o v e dl a s e rr o di sa d v a n t a g ef o rr e d u c i n gt h et e m p e r a t u r ei n s i d et h e l a s e rr o ds i n c el a r g ec o o l i n gs u r f a c ea n d h i 曲t h e r m a lc o n d u c t i v i t y am a x i m u ml a s e ro u t p u t e m 双= 9 1 5 ww a s m e a s u r e dw h i l et h et o t a ls l o p ee f f i c i e n c yi s r = 0 1 7 1 a c c o r d i n gt om i x e d - m o d eg a u s s i a nd i s t r i b u t i o n ( g l d ) ，a es i e g m a n ss e c o n do r d e r d e f i n i t i o no ft h el a s e rb e a mw i d t hi nt h eb e a ma x i sc o o r d i n a t es y s t e m ，t h eb e a mp a r a m e t e r s ( b e a mw a i s t , b e a mw i d t h , d i v e r g e n c ea n g l ea n dm 2 ) c m c u l a t i o ne q u a t i o n sw e r ed e r i v e di nt h e l a b o r a t o r yc o o r d i n a t es y s t e m ，a n da t e s tm e t h o db a s e do ng r e yl e v e lh i s t o g r a mi si l l u s t r a t e d a h e - n el a s e r sd i f f r a c t i o nl i m i tf a c t o rw e r em e a s u r e dm ：= 3 8 7a n dm ：= 4 4 2b yu s i n g h i s t o g r a m , r e s p e c t i v e l y b ya b c dl a wo ft h eg a u s s i a nl i k eb e a m ( g l b ) a n dz e m a xo p t i m i z a t i o n , af i b e r c o u p l i n gd e s i g nw a sg i v e nw h i c hi sc o m b i n e dr e v e r s e dg a l i l e a nt e l e s c o p e 、 ，i t l ls i n g l ef o c u s l e n s ，i nd e t a i lt h el e n so ft h et e l e s c o p ei ss p h e r i c a lg e o m e t r ya n dt h ef o c u sl e n si sa s p h e f i c ( q u a d r i c s ) g e o m e t r y f i b e rc o u p l i n gd e s i g ni sa b e r r a t i o n s ( m a i n l ys p h e r i c a la b e r r a t i o n ) f r e e a n dh i g he f f i c i e n c y k e yw o r d s ：l ds i d eb u m p ，t h e r m a ll e n s ，g r o o v e dl a s e rr o d , l a s e rb e a mp a r a m e t e r s ，f i b e r c o u p l i n g 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。 霎差蓑妻羹萎裹霎亍翌指导教师签名：一 学位论文作者签名：拗! 盏指导教师签名：型型坦! 孑 加。年易月f7 日 2 ol o 年占月，夕曰 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： 乙j 、勿 劢届年jj 7l i 两北人学硕士学位论文 1 1 高功固体率激光器 第一章绪论 固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作物质的激光器。从 世界上第一台激光器发明至今，固体激光技术取得了很大的发展，主要表现为激光介质 不断改进，最初是红宝石激光器，后来出现了n d ：g l a s s 和n d ：y a g 激光器等，目前出现 了以陶瓷为基质的新型激光材料；泵浦光源的改进，最初是闪光灯和弧光灯，后来发展 为高功率激光二极管泵浦；激光介质结构的改变，从最初的棒式结构发展成板条式，又 到后来的光纤式结构。固体激光技术的发展过程是一个不断革新的过程，固体激光器发 展到今天，无论在结构、输出功率、转换效率还是光束质量方面都有了很大进步【l 】。 高功激光器主要包括化学氧碘激光器( c o i l ) 、氟化氢和氟化氘激光器( h f d f ) 、固 体激光器和气体c 0 2 激光器，经过多年的发展，气体激光器和化学激光器已经非常成熟， 但也暴露出很多不适于应用的问题，如波长太长、操作复杂、体积庞大等。固体激光器 出波长短、有利于传输、体积小、使用灵活、转化效率高、采用电驱动、后勤保障简单， 能广泛应用于各种平台。 高功率固体激光器采用的技术方案主要有高功率l d 列阵侧泵激光棒及多棒串接 方式、l d 列阵侧泵板条方式、l d 列阵端泵盘片方式、高功率l d 激光器和高功率光纤 激光器。侧面泵浦激光棒是传统的固体激光器构形，通过多个激光头串接可获得高功率 激光连续输出。这种方法结构简单、性能稳定、易维护、成本低、效率高。但是侧泵浦 激光棒存在热畸变及热致退偏等问题。侧面泵浦板条构形克服了棒的缺点及局限性，其 厚度与泵浦吸收长度匹配，并通过z 形光路有效补偿厚度方向的热畸变。宽度方向尺寸 根据激光输出功率要求设计，并采用边缘绝热技术控制该方向的热流，减小温度梯度， 从而可以实现高光束质量激光输出。但板条激光输出截面是长方形且两个方向的光束参 积不相等，不利于发射、远距离传输有关应用。另外，板条侧效应、端效应会影响光束 质量并且要求的调节精度较高。盘片激光器是指激光介质具有大的口径厚度比 ( 1 0 5 0 ：1 ) ，采用面泵浦、面冷却。在均匀泵浦和冷却的情况下，能够有效地控制激光介 质径向温度梯度，介质的热流近似为垂直于薄片表面的一维情况，从而减小了热透镜效 应，确保了激光高光束质量输出。同时由于具有较大的通光孔径，减小了其他结构形式 固体激光通常所具有的衍射效应和光束截断损失。同时保持良好的光束质量。因此，盘 第一章绪论 片激光十分适合高亮、高平均功率发展需要【2 】o 高功率全固态激光器在激光加工领域的应用主要有激光切割、焊接、表面处理和快 速成型等。激光加工广泛应用于农业机械、工程机械、粮油机械、特种汽车、锯片及造 船等行业。激光加工中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这3 项技术目 前已经发展成熟，应用也很，“泛。激光加工技术之所以得到如此广泛的应用，是因为它 与传统加工技术相比具有很多优点：一是非接触加工，没有机械力；二是可以加工高硬 度、高熔点、极脆的难加工材料；三是加工精度高，热变形很小，加工质量高；四是 与现代数控机床相结合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序简单、省料及污 染少等特点【3 1 。 1 2 高功率n d ：y a g 激光器 1 9 9 9 年，日本t o s h i b a 公司报导了采用l d 阵列5 向泵浦尺寸为矽8 1 1 8 m l i l 的 n d ：y a g 激光棒，获得了1 0 0 0w 的激光输出【4 】。 1 9 9 9 年，日本新能源、产业技术综合开发机构( n e d o ) 和制造科学技术中心机构， 研制成功输出功率3 3k w 的c w n d ：y a g 激光器，激光棒尺寸矿8 x1 2 0m m ，光光转换效 率5 1 ，电光转换效率1 8 1 9 9 9 年，日本f a n a c 公司报导了输出功率1 3 2k w 的脉冲n d ：y a g 激光器，重复 频率6 2 5h z ，激光介质尺寸6 x2 5 x2 0 0m l n ，光光转换效率3 5 ，电光转换效率1 3 1 9 9 9 年，日本t o s h i b a 公司报导了采用l d 阵列3 向泵浦尺寸为矽8 x 2 0 3m i l l 的 n d ：y a g 激光棒，获得了2 0 0 0w 的激光输出，光光转换效率4 7 ，电光转换效率2 2 ， 泵浦结构如图1 1 【5 1 2 西北大学顿学位论文 漆；i i ；l ? “蠡 冀三一薰黧渗 图1 2 泵浦模块简圈 f 培1 0s c b e m n f i ed r g w h g o f t h ep u m pm o d u l e m 北大学士学怔论文 1 0 1 0w ，衍射极限倍因予m2 = 9 1 电光转换效率是2 2 i ”l d i o d es t a c k s d i o d es t a c k s 图1 , 4 泵浦模块简图 n 9 1 4 s c h e m a t i c d r a w i n g o f t h e p u m p m o d u k 图1 5 取焦距朴偿谐振腔 p 噜1 5 b i f o c n s m gc o m p e n s a t i o nr - 啪n a t o r 镕绪论 9 0d e g r e e s 9 0 - d e g r e e s t o t a lr e l l e c l 0 0 u a r t zr a l u r c o u p l f f l q ：e t s q u a n zr 0 8 0r f 自l h a lr e e d u r 1 n dy a gr “n dy g c 。 ： n cy a gr o 。r l 啪y 枷o d ? 卜笪晕粤酚* 士堕嘲酬意 r e s o n a l o r 自1r e s “l a t o r # 2 05 【“b 1 0 1 a 10 s c l l a t o rc o n g i g u r a l i o n 。) m o p ac o n f i g u r a t i o n 图1 6 级联耦合两个相同的取伟距补偿谐振腔 f i g l6 c a s c a d e dc o u p l i n g o f t w o i d e n t k a lb i f u s i n gc o m p e n s a f i o n t o r s 2 0 0 4 年，中国应用物理研究所报导了9 向l d 阵列侧面泵浦尺寸为# 6 x 1 0 0 m m 的 n d ：y a g 激光器，泵浦峰值功率6 5k w 时，激j 匕棒增益系数为0 3 m m “ 1 1 l 2 0 0 4 年，中国应用物理研究所报导了1 2 向l d 阵列侧面象浦尺寸为# 8 x 1 2 0r r 曲的 n d ：y a g 激光器，泉浦峰值功率1 2k w 时，激光棒增盏系数为01 9 6m i l l ，采浦结_ l 旬如 图17 【1 “ 西北大学硕士学位论文 圉”泵浦模块苘囤 f i g l7s c h e m a t i c d r l w i n g o f t h ep u m p m o d u l e 2 0 0 4 年，德国汉诺威激光中心报道了偏振输出功率1 1 4 w 、衍射极限倍园子 m 2 = 1 0 5 的n d ：y a g 激光器，激光器采用端面泵浦和热致双折射补偿谐振腔，如图l8 v e m e “ 0 r = 叫州胁；j ；。；冽叫h 一 卜l 磊惫_ - 图1 8 端面泵浦热致双折射补偿谐振腔 f 喀1 8 s e t u p o f t h es t a a d i a g w a v er e s o n a t o r w i t hb 黼g e n c e c o m p e n s a t i o n 2 0 0 5 年，上海光机所报导了输出功率2 3 6w 的q u a s i - e w n d ：y a gc e r a n 】d e 激光器， 光光转换效率5 25 ，斜率效率6 2 t 川 2 0 0 5 年，美国诺斯罗普格鲁曼报导了输出功率1 9 k w 的z 形板条激光器，激光器是 基于一个输出功率数k w 的主振荡器与z 形n d ：y a g 板条放大器链的相干组合，系统简 圈如图1 9 1 “ 第绪论 豳1 9 激光系统简圈 f i 9 1 9s e h e m a t i e o f t h e i s s e rs y s t e m 2 0 0 7 年，js a b a g h z a d e h 等报导了用管形透镜准直耦合l d 光束侧面泵浦n d ：y a g 激光嚣，c w 模式最大输出功率4 6 8 w ，光光转换效率3 3 ，衍射极限倍瑚子m 2 = 1 5 ， 泵浦结构如图1 1 0 。6 1 驴 溪一。辫划 w 鹊 蕊瑚 西北大学硕士学位论文 图1 1 0l d 泵浦模块与管形透镜 f i 9 1 1 0l dp u m pm o d u l ea n dl e n sd u c t 1 3 光纤传输的高功率固体激光器 随着高功率固体激光器技术的快速发展，在许多场合人们需要用光纤来传输激光能 量。工业方面，如激光加工、激光打标、激光熔覆、激光切割、激光焊接、激光打孔、 刻槽、表面处理等，由光纤输出的激光具有独特的优点。柔性好，镜组传输系统的光学 和机械构件庞大、复杂，加工费用昂贵。用光纤传输可以使激光器与机器人组成柔性化 激光加工系统，这也是激光光纤传输的最大优点。利用光纤的柔软性，机器人操纵加工 头可以在自由空间伸展，方便的实现激光多维加工。易于长距离传输，采用光纤传输装 置，可以对激光进行远距离传输，而光束不会扩散。随着新材料光纤的研制和制造水平 的不断提高，光纤的损耗会越来越小。传统光学仪器的光路是由棱镜等体元件构成的， 而采用激光光纤耦合进行传输的最大优点是增加了系统的灵活性，使人们很容易将激光 引入工业加工工序中，光纤柔性导光系统适合建立多功能激光加工中心。光纤输出端轻 便小巧，便于移动而工件可保持同定，大大简化了系统的结构1 7 1 。 激光器与光纤耦合时，为了获得最佳耦合效率，主要应当考虑两者的特征参量相互 匹配的问题，对于激光器应考虑其发光面积、发散角和输出功率，输出能量以及脉冲宽 度和脉冲频率，对于光纤应考虑其纤芯直径、数值孔径、截止波长以及损伤阈值。激光 与光纤之间的耦合方法主要有两种，直接耦合和利用光学系统整形和聚焦后再进行耦合 1 1 8 】 a 1 9 9 4 年，p e t e rv e r b o v e n 报导了用纤芯直径6 0 0 t u n 的光纤及耦合系统，传输l k w 的n d ：y a g 激光器能量用于金属切割，激光器的光束质量参数3 5m n l m r a d ，衍射极限 倍因子m 2 ：1 0 0 1 9 1 1 9 9 4 年，h gt r e u s c h 报导了用模块和复用方法，获得3k w 输出功率的光纤传输 激光器，系统结构如图1 1 1 【2 0 】 9 第章绪论 囟 b e a ms h a p i n gl e n s j 卓。 图1 1 l 带光纤耦台系统的模块化擞光器 f i 9 1 1 1 m o d a l a r h 辨r w i t h f i l l e r o p a c b e a md e l i v e r y 1 9 9 7 年，br i c h o u 报导了用光纤耦合传输1 5d s 脉宽、脉冲能量2 3 0 m j 的n & y a g 激光器，平均能量大于1 0m w 口” 1 9 9 9 年，日本n e c 报导了型号为m 7 0 7 a 的n d ：y a g 激光器，其输出功率超过1 i k w ， 光束质量参数1 3 0 t a r am r a d ，通过一条纤芯为0 8r a m 的右英光纤( n a = 0 2 ) 传输，激 光器光纤输出功率大于95k w 2 0 0 8 年，北京工业大学报道了大功率固体激光器高效率光纤耦合系统，成功地实现 了输入功率为2 0 0 0w 时，耦合效率大于9 4 的激光输出i 。 大功率固体激光在金属材料的切割、焊接、熔覆等工业加工中有重要的应用价值， 其主要优势在于它可在光纤中传输，实现柔性化三维激光加t 。大功率固体激光光纤耦 台效率的提高，不仅可将激光器输出的激光有效地传输到工件，最大限度地利用激光器 输出功率，而且耦合损耗的降低可提高光纤耦合、传输系统的可靠性。大功率固体激光 光纤传输系统的高传输效率包括光纤的传输效率和辙光与光纤耦合的效率。由于传输大 功率同体激光所用的多模光纤只有十几米自身损耗报低，因此大功率固体激光光纤传 输系统的效率，主要取决于檄光与光纤耦合的效率脚i 。 两北大学硕士学f 妒论文 第二章l d 侧面泵浦n d ：y a g 激光器及其热光效应 2 1 掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) n d ：y a g 是最早和最著名的激光晶体。n d ：y a g 增益高并且有优良的热、机械性能， 被广泛应用于科学研究、医疗、工业和军事领域。由于它的很多基本性能优越，故n d ：y a g 仍常被用于近远红外固态激光及其倍频，三倍频应用中。n d ：y a g 的优势基本属性包括 高增益激光阈值低、功率高、1 0 6 4 n m 光波吸收少、热传导性和热冲击特性好、光学性 质好、适用于多种工作方式( 连续，脉冲，q 开关，锁模) 。 基质晶体y a g 是无色的、光学各项同性的立方晶体。y a g 硬度高、光学性能好、 并有很高的热导率。从低温到熔点，y a g 固体的结构十分稳定，其强度和硬度较高， 生产加工过程中不易出现断裂。y a g 的立方晶系结构使得其荧光线宽窄，有利于高增 益、低阈值的激光运转。3 价钇离子( y 3 + ) 被3 价钕离子( n d 3 + ) 替代生成掺钕钇铝石 榴石( n d ：y a g ) ，不需要电荷补偿，但两离子半径相差3 ，钕离子掺杂浓度不能很高， 否者会在y a g 晶体中产生应变而破坏了晶体结构。n d ：y a g 的物理、热与光学性能详二 见表2 1 【2 4 1 表2 1n d ：y a g 的物理、热与光学性能 t a b l e 2 1p h y s i c a lt h e r m a la n do p t i c a lp r o p e r t i e so fn d ：y a g 化学式 晶体结构 点阵参数 熔点 密度 莫氏硬度 断裂应力 弹性模嫱 泊松比 热膨胀系数 n d ：y 3 a i s 0 1 2 c u b i c 1 2 o l a 1 9 7 0 0 c 4 5 6 9 c m 3 13 2 0 k g m m 3 2 0 0 m 咿a 3 1 0 g p a o 3 0 8 2 10 6 l 1 0 - - 2 5 0 。c 7 7x1 0 击k 1 0 - - 2 5 0 。c 第- 二章l d 侧面泉浦n d ：y a g 激光器及其热光效应 线宽 荧光寿命 1 0 6 a m 处的光子能量 折射率 热导率 比热 热漫射率 热膨胀 折射率温度系数驯a 丁 7 8 1 0 击k 1 0 2 5 0 。c 1 2 0 g h z 2 3 0 s h v ：1 8 6 x 1 0 1 9 j 1 8 2 1 0 6 m 0 5 8 w c m 1k ，1 0 0 k 0 2 1w e r e k 1 2 0 0 k 0 1 4w c m 1k 1 3 0 0 k o 1 3 wsg - i k 一1 0 0 k 0 4 3w s g - 1k - 1 2 0 0 k 0 5 9w g 1 k ，3 0 0 k 0 9 2c m 2s ，1 0 0 k o 1 0c m 2s 2 0 0 k 0 0 4 6c m 2s 1 ，3 0 0 k 4 2 5 1 0 乍1 0 0 k 5 8 x1 0kl ，2 0 0 k 7 5 1 0 石k 一3 0 0 k 7 3 1 0 气1 以c w 和高重复频率运转的n d ：y a g 激光器( 重复频率大于荧光寿命的倒数或脉冲 宽度小于荧光寿命) ，当激光光强远大于饱和光强l = 加r r r t 时能维持很高的提取效率， 这罩枷是光子能量，口是发射截面，r 厂是荧光寿命。n d ：y a g 的饱和光强大约为厶= 2 9 k w c m - 2 n d ：y a g 是典型的四能级系统，能级如图2 1 图的右边是能级斯塔克分裂后的各子 能级，激光跃迁就发生在各子能级间。n d ：y a g 的主要跃迁( 对应1 0 6 4 r i m 的光辐射) 发生在4 f 3 2 能级的r 2 子能级到4 i h c 2 能级的y 3 子能级间。根据波尔兹曼定律，在室温时 4 f 3 屋能级上的粒子数只有4 0 处于r 2 子能级，其余6 0 粒子数处于r 1 子能级。受激辐 射时r l 子能级的粒子会以热辐射的形式驰豫到r 2 子能级。n d ：y a g 的基态是4 f 3 ，2 能级。 由于下能级高于基态能量，下能级的粒子数密度仅是基态能级的e x p ( 一l o ) 当掺杂浓度 为l a t 时，4 f 3 ，2 能级的荧光寿命大约为2 3 0 a s 2 5 1 1 2 两北大学硕士学位论文 1 b 1 4 了 1 2 e u o 1 0 客 t 昱u 8 6 4 2 o b a n d s i ，w 一， l a t r d 4 i i s 在 一 ，搬 ，l i 詹 一删m u l l 4 三三三三丢8 5 2 懑 主 图2 1 n d ：y a g 能级图 f i 9 2 1e n e r g yl e v e ld i a g r a mo fn d ：y a g r 2 凡 k k ； 圬 n d ：y a g 在室温下的荧光光谱和吸收光谱分别如图2 2 和图2 3 ，各发射分支的比例 为：4 f 3 2 _ 4 1 9 2 = 0 3 0 ，4 f 3 2 4 i l l 尼= 0 5 6 ，4 f 3 2 _ 4 1 1 3 ，2 = 0 1 4 ，4 f 3 , 2 _ 4 1 1 5 陀 o 0 1 其 最强的荧光发射波长为1 0 6 4 n m n d ：y a g 的泵浦带是4 f 北能级，对应的吸收波长是 8 0 8 n m ，这是用l d 泵浦的主要波长。 、 2讹 眈 搬 豫 略崛硌堪乏 第二章l d 侧面象浦n d ：y a g 激光器及其热光效应 百 = c ： 芒 2 = 宅 卫 8 c 舢 g 皇 。 三 l l 1 0 7 0 11 0 6 0 1 w a v e l e n g t h 【a 】 图2 2n d ：y a g 的荧光光谱 f i 9 2 2f l u o r e s c e n c es p e c t r u mo fn d ：y a g 1| 厂 l 一， 。 、 8 0 28 0 48 0 6b 0 88 】o8 1 2 w a v e l e n g t h ( r a n ) 图2 3n d ：y a g 的吸收光谱 f i 9 2 3a b s o r p t i o ns p e c t r u mo fn d ：y a g 通常n d ：y a g 激光晶体是通过提拉法生长的，生长方向沿晶体的i l l l 】方向，生长速 率很慢，1 0 1 5 c m 的长度需要几周的生长时间。高掺杂浓度会缩短荧光寿命、增加线 宽，导致晶体中应变，使得光学质量变差，n d 3 + 的掺杂浓度被限制在1 0 1 5 a t 以内。 原子百分比1 0 a t 的n d 原子数相当于质量百分比为0 7 2 7 的n d 或者质量百分比为 0 8 4 8 的n d 2 0 3 中含有的原子数，原子数浓度约为1 3 8 6 x1 0 2 0 c m 。优化n d 3 + 的掺杂浓 度能改善激光器的性能，对于脉冲运转的激光器为了提高储能常用1 2 a t 的高掺杂浓 度，而对于c w 运转的激光器为了得到较好的光束质量采用0 鲫8 a t 的低高掺杂浓度。 1 4 2 o 8 6 t 2 1 1 置u、_一cou厶o矗_ 两北大学硕士学化论文 n d ：y a g 激光器能产生许多不同的激光跃迁，表2 2 列出了室温下能用l d 泵浦获 得的激光跃迁与l d 泵浦条件。在n d ：y a g 中4 f 3 n 一4 i l l 位能级问的1 0 6 4 n m 辐射跃迁有 非常大的发射截面，1 0 6 4 n m 激光在谐振腔内震荡会有效抑制其它激光跃迁，使得 1 0 6 4 n m 输出的n d ：y a g 激光器是最强的激光跃迁【2 6 】。 表2 2l d 泵浦的激光跃迁 t a b l e 2 2l dp u m p e dl a s e rt r a n s i t i 0 1 1 5 参杂激 ts e ( m ) 受 受激发射截面l d 泵浦l d 泵浦波 ( s e ) 受激跃迁 基质晶体 光离子 激发射波长( 1 0 母c m 2 )温度( k )长( a m ) n d 3 + 4 f 3 2 4 i 蛇，( r l y a a1 5 0 1 2 0 9 4 60 5 3 0 00 8 0 8 - - - z s ) 4 f 3 z 一4 i ii ，2 ，偶 1 0 6 4 12 8 3 0 00 8 0 8 一y3)08675 0 8 8 5 y 3 a 1 5 0 1 2 1 0 6 4 12 83 0 00 8 0 8 ( c e r a m i c ) 4 f 3 ，2 - 4 i l3 ，2 ，( r 2y 3 a 1 5 0 1 2 1 318 70 9 5 3 0 00 81 一x 1 r 2 - - 。x 3 ) 1 3 3 8 1l y 3 a 1 5 0 1 2 1 3 1 8 70 9 53 0 00 8 1 ( c e r a m i c ) 1 3 3 8 1l 2 2 多向l d 阵列侧面泵浦系统 l d 是最有效的泵浦源，与灯泵浦系统相比，l d 泵浦源具有以下优点： ( 1 ) 系统效率高。闪光灯和连续弧光灯泵浦源是宽带光源，l d 的发射带宽很窄。灯 发射的光谱中只有很少一部分能被激光介质吸收，而l d 泵浦源可以选择发光波长完全 落在激光介质的吸收带中，如用8 0 8 n m 的光泵浦n d ：y a g 。 ( 2 ) 光束质量好。n d 离子的吸收带宽长，l d 泵浦源能实现高效的光谱匹配，降低 了激光介质的热负载，激光介质热效应的减小使得输出的光束质量高。而且l d 光束方 向性好，能设计很高模式匹配的泵浦系统，因此激光输出的亮度高。 第二章l d 侧面条浦n d ：y a g 激光器及其热光效应 ( 3 ) 激光系统结构紧凑、功能多。l d 泵浦源发光而积小、光束方向性好，很容易将 l d 输出光经过整形或变换后传输进激光介质中。因此l d 泵浦体积小并能设计各种各 样的泵浦结构。 ( 4 ) 能用于新激光材料。很多应用广泛的激光介质如n d ：y a g ，y b ：y a g 和t m ：y a g 能被l d 有效泵浦。 ( 5 ) 元件寿命高。固体激光器寿命很大程度上取决于泵浦系统的寿命，闪光灯的寿 命是1 0 8 次脉冲，连续弧光灯的寿命是5 0 0 h ，脉冲运转的l d 寿命是1 0 9 次脉冲，连续 运转的l d 寿命是1 0 4 h ( 6 ) 有利于健康。灯泵浦源电压脉冲高、温度高有紫外辐射，而且灯泵浦泵浦光通 量高含有很强的紫外能量，进一步加剧了泵浦腔和冷却系统的损耗，增大了系统维护量。 l d 泵浦很大程度上消除了以上问题，更利于操作安全和维护。 ( 7 ) 能用于高脉冲重复频率。闪光灯的重复频率很低，弧光灯是连续运转的，l d 泵 浦除了能用于连续和低重复频率运转的激光器外，还能用于准连续( q u a s i c w ) 运转的 激光器，因此固体激光器工作的重复频率范围从几百h z 到数千h z 。 l d 侧泵系统的光束方向性好，将泵浦光辐射传输进入固体激光工作物质有很多结 构。由于l d 输出的光束能被整形和聚焦，泵浦系统几何设计主要考虑l d 泵浦的模体 积与谐振腔低阶模( 如t e m 0 0 模) 占据的模体积最大限度的重叠。这种重叠的优化也称 作模式匹配( m o d e m a t c h i n g ) 。l d 输出的泵浦光和固体激光工作物质最佳的空间匹配 就足让泵浦辐射和谐振腔模体积空间上高度的重叠，这样删a - b , 乃匕h 得到一台总体效率很高的 l d 侧泵激光器。 侧泵系统中l d 阵列沿增益介质的长度排布，泵浦的方向与激光的传播轴垂直。这 个泵浦方式的优点是泵浦能量较高。沿着激光棒和环绕激光管棒排布更多的l d 阵列能 得到更大的泵浦能量。l d 泵浦光辐射的耦合方式一般有以下两种： ( 1 ) 直接耦合。从设计观点看直接耦合是一种非常理想的耦合方式。但是，这种方 式不易对进入激光工作物质中的泵浦光束进行整形。 ( 2 ) 在泵浦源与工作物质( 吸收介质) 间插入光学元件。在这种方式中，泵浦光的 分布通常在激光棒中心最高，以达到和谐振腔模式的更好匹配。光学耦合系统可以使用 各种成像元件如球面透镜、椭球面透镜和抛物面透镜，也可以使用非成像元件如反射、 折射式光透镜导管。 是否在l d 阵列与激光介质问插入光学系统很大程度上取决于泵浦光的束宽大小和 1 6 西北大学顾士学协论文 激光介质中的光强分布。 用于泵浦n d ：y a g 的l d 是g a a l a s 或者i n g a a s p 半导体激光器，发射波长在 7 5 0 - 8 5 0 n m 。改变离子的参杂浓度或者工作温度，g a a l a s 半导体激光器的发射中心 波长也会随之变化。一般情况下，a l 浓度变化1 中心波长会漂移l n m ，中心波长随温 度的变化量是0 3 n m 。由于a l 容易随时间变质，i n g a a s p 半导体激光器比g a a l a s 半导体激光器具有更稳定的光学性能。 l d 的发光特性是由其p n 结结构、谐振腔长度、材料特性等决定的，一般可以将 l d 看成条形发光源，其发光面积一般为5 0 - 2 0 0 弘m 长x l g m 宽，在光束传播方向横截面 上的光强分布成椭圆光锥如图2 4 所示，在p n 结的垂直方向光束的发散角最大，发散角 是4 0 0 f w h m ，与p n 结平行方向光束的发散角最小，发散角是1 0 0 fi l m 由于垂直方 向上光束的远场发散角很大，准直该方向上的光束需要使用数值孔径n a = 1 或者更高 的光学元件，通常将p n 结的垂直方向称为快轴。参照l d 的发光孔径，对比o 8 # m 波 长的高斯光束，束腰为0 5 a m 时的远场发散角为5 7 0 ，束腰为1 5 0 # m 时的远场发散角为 o 4 0 ，可以看出，在p n 结垂直方向上光分布接近高斯型，而在p n 结平行方向上远场发 散角是高斯光束的数倍，其光分布中还包括很多高阶模。 图2 4l d 光束的空间分布 f i 9 2 4r a d i a t i o ns p a t i a lp r o f i l ef r o mal a s e rd i o d e l d 的发光效率铷一般是o 3 0 4 5 ，准连续工作的l d 效率处于较高的范围，相比 连续工作的l d 是更高效的泵浦源。在大多数系统中，l d 泵浦光被激光介质吸收的转 1 7 第- 二章l d 侧面泉浦n d ：y a g 激光器及其热光效应 换通常用转换效率和吸收效率表示叩t 叩。= 0 7 o 8 ，在端泵结构中，通常l d 的泵浦光不 能被光学系统全部接收而且反射损耗进一步降低了泵浦能量。相比之下，沿径向泵浦的 l d 能量几乎被激光介质完全吸收。在侧泵结构中，转换效率接近于1 ，但足泵浦能量 也不会被激光介质完全吸收，因为一部分泵浦光能量会被小的激光棒传输走。模式匹配 和光学耦合造成的损耗为0 2 o 4 ，谐振腔模式匹配和耦合效率是叩b 叩。= 0 6 - - - 0 8 ，用 8 0 8 n m 泵浦光泵浦n d ：y a g ，斯托克斯频移和壁子效率是r t s r q = 0 6 8 d i o d e l a s e r r o d c o o l i n g c h a r m e l 图2 5 用7 个l d 堆栈的侧泵结构 f i 9 2 5s i d ep u m pc o n f i g u r a t i o nw i t h7l ds t a k e s 对于圆柱形激光棒采用的侧泵结构通常是对称的，l d 堆栈或者l d 阵列沿激光棒 侧面轴对称分布，l d 堆栈或者l d 阵列固定在热沉上可以被充分冷却，l db a r s 发出的 光束经过柱透镜整形聚焦在激光棒中心附近。实验所用侧采模块结构如图2 5 ，7 个l d b a r s 对称分布在冷却管套的侧面，相邻l db a r s 的夹角约等于5 1 。，在冷却管套的内壁 镀有一层漫反射材料，近距耦合的漫反射泵浦腔能够产生更加均匀的泵浦光能量沉积分 布。 对于圆柱形几何结构的激光介质，为达到最佳的