（光学专业论文）13μm全固态调q激光特性研究.pdf

由东褥藏大学硬圭攀慑论文 1 3 岬全固态调q 激光特性研究 中文摘要 激光：极管( ) 泵浦的全固态激光器是新代理想的相干光源，因具有效率 高，结构紧凑，输出稳定、寿命长等优点和广阕的应惩翦景，近见年螯受藿内外 激光界重视。本论文以n d ：y v 0 4 晶体为研究对象，从理论和实验两方面研究了全 圈态凇：w 瓯1 3 鸵燃主被动调q 激光器以及垒固态6 7 l 勰激光器的输嬲特性。 箕主要内容概括隽： 重绘出了主被动调q 的理论模型，定性分析了激光晶体、饱和吸收体班及谐 振腔等参数对调q 输出性能的影响。对腔内倍频进行了理论研究，通过将倍频过 程视为腔蠹损耗并将其带入调q 的速率方程数值求耨，模拟了6 7 董曩瑾红光的输塞 波形，所得结果与实验较为吻合。 2 对l d 端面泵灞套撼：y v 。4 1 3 4 2 篷l 连续激光器进行了实验研究。采用低掺杂 的激光基体以及优化的谐振腔，获褥了6 。6 3 w 的1 3 毒2 啦连续输出，福疲的光光 转换效率以及斜效率分别为4 2 ，8 和4 3 。9 。进而对端面泵清n 区：w 吼薹3 4 2 凇 声光调q 激光器进行了实验研究。在重复频率为1 0 k 时，1 3 4 2 n m 的最大平均输 出功率先2 。9 捌，相应酶辣淬宽度秀量缸s 。 3 采用简单的平凹腔结构以及k t p 倍频晶体实现了全固态高功率 套澈：y v 0 脚腔内倍频6 7 重鼬红光输出，其最大平均输出功率为1 3 纠矿，相应的 重复频率和脉冲宽度分别隽1 5 娩和3 3 懋。在就基础上通过在腔外加入8 转o 晶体 实现了1 3 4 2 姗的鼹倍频输出，3 3 5 5 凇的最大平均输出功率为l 洲。 4 研究了l d 端丽泵浦n d ：y v 刨c 0 2 + ：锹1 3 4 2 嫩被动调q 激光器的输出特 性，获得了最短脉宽为4 2 藏s 麴脉、辟输遗，其耩痘鹃平均功率帮重复频搴分剩为 5 8 0 m w 和4 0 k 丑娩。据我们所知这是采用【，d 泵漓卜耐：y v 0 4 c 0 2 + ：n 厘a 结构所获得 的最短脉冲。同时还研究了c 0 2 + ：姒在两种偏振态下( e 上c 和e e ) 调q 运转 特性，并瓣实验上耩观察到的次脉冲现象给恕了合理麓物理解释。 关键词：全固态激光器，n d ：y v 0 4 晶体，l ，3 娜激光，c 0 2 + ：粉缎晶体，调q ，腔 内倍额， 分类号：t n 2 4 8 1 出窳筛薏大学硕士学位论文 融s e 粼ho n 龇a l l 娥ds 饶t e q s w i 专c k dl a s 粥a 专1 3 岬 a b 始巍战 d i o d e - p u m p e d8 0 l i d - 鲰蛔l a s e r sh a v eb e c o m eaf o c u si 1 1t h ef i e l do fl 鹪髓sd u et o 钕蠢搬勰y 蠢蝴辨ss 戮纛嚣s 赫鳟e 燕e i c n e 爵e o 粼 越趣e s s ，嫩馥蜘i l i 识毪砖艳鼗g l i 蠡雏i m 蛾瓢l ed i o d e p u m p e dn d ：y v 0 4a c t i v e l ya 越p a s s i v e l yq 蹶盘c 赫( 1l a s e r sa t l3 霉2 磁觳斑通越ls o l d s 滋耄e 糟dl a s 鼎妇醚。建撖e 淞越法e 毅萎潆堪擞i 薹愆ye o n v o 瑙i 濑o f 攮e l3 4 2 n 搬l i 辩o f 避：y v o 毒a 辖甄矮e d 龇。瞅i e 越l y 糊de x p e 磊激e 懿t 疆yi 薹l 粕sp a p 熙 弧em 越矬e o 嫩e 墩c a 靛b eg 髓e 豫l i z e da s 受l l o w s ： 1 瓢et h e o r e t i c a lm o d e l 曲o u tt l l eq s 谢t c h e dl a s e r sw a sg i v e ni i lt h j sp a p e lt h e 氧疆琵辩e s 淤融囊鹪硒氆曩瓣| 鑫s 烈黼蹴囊羹是涮鼬凳曲s 。如e 菸瑟鑫e 聪毋鞭黯巅 q u a l i t a t i v e l ya i l a l y z e d t h er a t ee q 雠t i o n sa b o u t 搬eh 逝a c a v 姆懿q u e n c yd o u b l i n g 黼r e 藏s o 纛l 燃l e 蠡e 羹s o 扣娃姆糖g 捌l l 撼氇e 觳唾毽。瓣e y 曲t 洒l i 端勰i 嬲鼍殴a v i 锣l o s s 嗣赡 磷3 v e 稻怒q f 氇e 趱dl a s 嚣w 躺。致蔹爨文l 也e o 磁i c 越坟w 掇e hw a s 泌g o o da g 耀。瓣娥、蠛墩 也舔。歌a i l l e 莲e x p e 砖瞳e 缎a 王致 2 1 kd i o d e p u m p e dn d ：y v 0 4c wl a s e r 郴c x p e r i m 骶t a l l ys t l m i e di nm i sp a p e r b y e 翠l o 主t 澈g 鑫l o 帑韵曲鑫嫩l 瓣嚣e 翠渤l 越遣毅印t i 耀越e 豁i 或搬e 黻鑫x i m 漱c wo 毽罐癯 p o w e ro f6 6 3w a tl3 4 2 n mw a so b t l i i l e d ，c o 鹏s p o n d i n gt om eo p t i c a l t o o p t i c a l c o n v e 搭i 潍e 叛e i o 瓣y 勰ds l o p ee 麓e i e n c yo f 霹2 。8 a n d4 3 9 ，f e 印e 蕊v e 取1 k 蕊醚e p 汹攀甜敬。粥蠢e 砸eq - 鳓磁鬻露怒：y v 虢| a s e f 鑫t1 3 4 2 麟w 鑫s 鑫l e x p i 嘶z n t a 王l y 髓戮l i e d a tt 量l er e p 暾i t i o n 麟eo f1 0k 薹差z ，也e 戳毡x i i 戳ma v e 黼g eo 脚躐 p o 、7 i r e ro f 2 9 4 w 、 ，a sa l c t a h 懈d ，谳虹l ec o r r e s p o n d i n gp u l s ew i d t ho f1 6 15 n s 3 。骶姥毯垂黼w 黻蠡o & 鼹蠢- p 雠鹫e dq 一谢锻猃莲套漶：y v 0 碡攫船羚dl 瀚落磁塔 d e r n o 薹l s t i a t e db yu s i n gas i m p l ep l a n o - c o n c a v oc l v i 够啦m er e p e t i t i o nr a 懈o fl5 k l z ， 毫醅m a x 强a v e r a g eo 脚mp o w e ro f1 37 ww a sa 托畦n e d ，w i 睡t 耋l ee o 艄罐o 强文矬g p 蠢s ew 至d t | lo f3 3 薹l s 强e 氐驴鼹e y 面珏b l i 琏go f 穗羚6 7l 凇w a s e o m p l i 妇d 姆重量瑶 细阳d u c t i o no fb b o 触q u e n c yd o 曲l e r n em 馘i m u na v e r a g eo 呻u tp o 、 ，c ro flo m w w a s 碱a i 浆da c c o r d i 鸺l y 4 弧e 蠡o & - 蠲臌p e 莲p a s 惑v e l yq 黜溉h 耐僦：y v 礅l 鹳嚣懿l3 鸵靛溅凇i 曜 c o 外：己m ac r y s 缄a s ：s a 鼬油l ea b s o r b e f 懈d e m o 觳s 住眦o d 遮艇8p 婶e f 。t 蛾p 醢l s e s 诚t h l 薹l 山东师范大学硕士学位论文 58 0 m wa v e r a g eo u t p u tp o w c r ，4 2 n sp u l s e 、i d t h 觚d4 0 l ( h zr e p e t i t i o nr a t ew e r e g e n e r a t e d t bo t l rb e s tk n o w l e d g e ，i tw a s 廿1 es h o r t e s tp u l s ew i d t ho b t a i n 珂f m mm e 文o & ：p 掰印e d 聪：y v ( ) c 0 2 + ：l al 弱e 醛。蔓魏eq * s w i 耗h 。p e f a 专i o 建o fl 糙c 0 2 十：l m a c r y s t a li nd i 疗e r e n tp o l a r i z a t i o ns t a t e s 啪sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e a u s o n a b l ep h y s i c a l e x p l a l l a t i o nf o rt h eg e n e r a t i o no fa d d i t i o n a lp u l s e sw a s a l s og i v e ni nt l l i sp a p e r k e yw o r d s ：a i ls o l i ds t a t el a s e r ，n d ：y v 0 4c r y s t a l 1 3 些ml a s e r ，c 0 2 + ：l m ac 搿s t a l 。 i n t r a c a v i t y 舶q u e n c yd o u b l i n 筋q - s w i t c l l i n g ， c l cn 毪辍b e 联1 7 n 2 4 8 1 独创声明 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，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( 注：如没 有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 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。 学位论文作者签名莒炳矽 导师签字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 出壅垣整太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权出丕埂萱太堂一可以将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、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后适用本授权书) 签瑚眵 签字日期：2 0 0 8 年岁月日 新擗坼 签字日期：2 0 0 8 年夕月o 日 出零繇范大学矮圭学靛论文 第一章1 3 m 全固态激光器进展 激光器是近代科学史上最伟大的发明之一。自从1 9 6 0 年梅曼( t m a i m a n ) 【l 制成第一台红宝石激光器以来的四十多年里，整个激光学科在激光物质、调制手 段以及非线性频率转换的理论和实验方面都取得了长足的进展，并且对传统学科 和技术的发展产生了巨大影响。所谓全固态激光器，就是用激光二极管 l a s c r d i o d e ，l d ) 泵浦固体增益介质的激光器( l 嬲e rd i o d e p u i 】叩e da l l - s 0 1 i d s t a t el 器 d p s s l ) 。它将王d 体积小、效率赢熊优点和固体激光器寿命长、光束质量好的优 势结合起来，成为种结构紧凑、效率高、寿命长和光束质量高的新型激光器件， 也是目前激光技术发展的重要方向之一。1 3 脚激光在医学领域、光纤通讯和军事 上具有很大的需求，其倍频红光在激光医疗、激光显示等方面有着巨大的应用前 景，又可以作为调谐激光器的抽运源。因此采用全固态技术获得1 3 雌激光及其 相应谐波具有十分重要的研究意义。 1 1 二极管激光泵浦全固态激光器篱述 1 1 1 全固态激光器的发展过程 1 9 6 0 年，r n e w 嫩勰f 2 】第一个提出了全圆态激光器思想。他用砷化镓( g a a s ) 发光二极管( l e d ) 泵浦掺钕离予钨酸酸钙晶体( n d 3 + ：c a w 0 4 ) ，发现了受激荧光。 1 9 6 4 年，美国m r r 林肯实验室的k e y e s 和q u i s t 【3 谰l d 泵浦u 3 + ：c 冰2 晶体，在 2 6 差3 心l 波段实现了真正意义上的全固态准连续波( q 畦a s i c w ) 激光输出。1 9 6 8 年，麦道宇航公司的r o s s 【4 】将冷却到1 7 0k ，以实现g a a sl d ( 8 6 7 她) 与 n d ：y g a 吸收峰匹配，实现了第一台l d 泵浦n d ：y a g 激光器。1 9 7 1 年，f q 懿。豫e y 0 5 】报道7 在室温下用童线排列的6 4 个g 啦s p 毛麓d ，通过选择合适组分 ( g a 触1 x p 。) 来匹配n 1 d ：y a g 吸收波长，泵浦n d ：y a g ，实现连续波1 4 积1 0 6 p m 激光输出，电功率3 0 w ，泵浦光功率9 0 0 m w 。 7 0 年代，泵浦的藿体激光器基本上没有太大的发震，输出功率( 近红外) 最高也就是几十亳瓦1 6 7 】，并且大部分是用g 尚l d 泵浦n d ：y a g 晶体的。其主要 原因是l d 用作固体激光器的泵源，其前提条件是有足够高的输出功率和与激光工 作物质吸收峰相匹配的发射波长。僵限于当时半导体激光器输出功率穰低，光束 发散角大，单色性差，波长也单调，且难以在室温下运转( k e y e s 和q u i s l 的第一 山东师范大学硕士学位论文 个实验是用液氦冷却到4 k 进行的) 。这种状况持续到八十年代中期，除了低功率 的l d 直接应用在通讯、信息存储与处理等方面，l d 泵浦的全固态激光器基本上 没有得到应用和发展。 8 0 年代，由于l d 吸收了半导体物理研究的新成果，采用了量子阱( q w ) 、应 变量子阱( s l q w ) 新结构材料，同时发展了晶体生长技术新工艺，如金属有机 物化学气相淀积( m o c v d ) 和分子束外延( m b e ) 等芯片制造工艺，使其阈值电 流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。 1 9 8 6 年l d 输出只有几十毫瓦，8 7 年连续输出就达2 0 0 m w 以上；到8 8 年1 0 0 岬条宽 的l d 连续波输出大于3 w ：1 c m 长的二极管阵列( l d a ) 输出大于1 3 w ，准连续输出为 1 5 0 w 。二维的l d a 功率密度大于3 k w ，锄2 ，效率达6 0 ；8 9 年s d l 公司1 c ml d a ，当 散热温度2 3 ，连续波输出7 6 w ( 孔径宽度3 咖) ，电光效率3 9 。到9 2 年s d l 公司 就生产出1 2 1 w 的l d ，转换效率大于4 5 ；9 3 年美国的里弗莫尔劳仑兹国家实验室 ( l l n l ) 利用阵列微通道强迫水冷方法，平均功率输出超过1 0 0 0 w 。从输出功率 为4 0 w 的单管l d 到输出功率超过3 k w 的l d a 都已经实现商品化，光纤耦合输出l d 的 输出功率已经突破2 0 0 0 w 。随着半导体生长工艺的成熟和提高，l d 的价格也大幅 下降，在1 9 8 8 年其每瓦的价格高达上千美元，而现在连续输出功率为4 0 w 的单管 l d 的价格仅仅几百美元。 目前，l d 的工作范围也从最初几个单一波长发展到从可见光到中红外。作为 泵浦固体激光物质的l d 主要工作波长在红光( a 1 g a h l ，舢g a l l m6 7 0 6 9 0 脚) 和近 红外( g a a _ l a s7 9 7 8 1 0 眦，h l g a a s ，9 4 0 9 9 0 n m ) 。它们分别处在掺稀土离子的铷 ( n _ d 3 + ) 、铥( t m 3 + ) 、钬( h 0 3 十) ，过渡离子铬( c ，) 和稀土离子铒( e r 3 + ) 等激光 晶体的主吸收带。绿光以下波段的l d 基本上停留在实验室水平上。而作为当今全 球半导体研究的前沿和热点之一的g a n 材料则是一种理想的短波长发光器件材料， g a n 及其合金的带隙覆盖从红色到紫外的光谱范围。日本n i c l l i ac o 印o r a t i o n 公司一 研究小组报道了他们用g a n 量子阱材料成功地研制出室温下发射波长4 0 0 眦的蓝 光半导体激光器【8 1 ，最大连续功率达5 0 m w ，寿命已达1 0 0 0 0 小时。目前该公司生 产的g a n 型蓝光l d 单管输出功率已达5 0 0 m w 。2 0 0 4 年，a 鼬c h t e ra n de h e u m a i l n 9 】等人用最大输出功率为2 5 m w 的g a n 半导体激光器( 中心波长4 4 2 m ) 泵浦 p ，十：l i y f 4 晶体，获得了1 8 m w 的红光输出( 中心波长6 3 9 7 n m ) 。2 0 0 7 年6 月，p c 锄) ，【1 0 】等人利用n i c h i ac o 印o r a t i o n 公司输出功率为5 0 0 m w 的g a n 半导体激光器 2 山东师范大学硕士学位论文 ( 中心波长4 4 6 n m ) 泵浦p r 3 + ：k y 3 f i o 晶体，6 4 4 5 m 红光的输出功率达到3 9 m w ，相应 斜效率为2 3 。同年9 月同本的k o h e ih a s h i m o t 0 1 和f u m i h i k ok a n n a r i 【1 1 】用输出功 率为5 0 0 m w 的g a n 半导体激光器( 中心波长4 4 4 m ) 再次泵浦p r 3 + ：“y f 4 晶体，获得 了l1 2 m w 的6 3 9 n m 激光输出，相应光光转换效率为3 3 5 。这些结果表明，真正意 义上的全固态红光激光器( 相对于采用频率变换技术而言) 进入实用化阶段已指日 可待。 由于大功率l d 的出现，全固态激光器的发展焕发了勃勃生机。通过在激光材 料、泵浦光耦合技术、谐振腔设计等方面发展和创新，结构紧凑、效率高、光束 质量好、性能优异的全固态激光器不断涌现。通过非线性频率变换技术，其工作 波长已经能够覆盖紫外到中红外波段。下图为南京大学研制的全固态紫外一绿双波 长激光器。 图1 1 全崮态紫外一绿双波艮激光器 1 1 2 二极管激光泵浦的固体激光介质 对固体激光工作物质的要求包括两方面：好的光谱物理特性和高的光学质量。 光谱物理特性包括三个方面：1 、宽的吸收带和大的吸收系数。2 、高的荧光量子 效率。对于掺n d 的固体介质，如n d ：y a gn d ：y v 0 4 ，n d ：y l f ，n d ：g d v 0 4 等，其荧 光量子效率接近于1 ；3 、高的热导率、硬度和抗裂强度。好的光学质量是指晶体 具有低的吸收损耗、低的散射损耗和退偏损耗，光学质量上的缺陷所带来的损耗 会使器件的阈值升高，输出效率下降。 3 + 钕是最早用于激光晶体的三价稀土离子。n d 离子的电子排列为 山东师范大学硕士学位论文 l s 2 2 j 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d m 4 s 2 4 p 6 4 d 0 4 3 5 s 2 5 p 6 。稀土离子的吸收和发射光谱源于部 分填充的4 厂壳层能级之间的跃迁，由于的4 f 能级被已充满的5 s 和5 p 电子层屏蔽， 因此熙格场的影响较小，有相当长的荧光寿命和窄的线宽，且具有位于基态之上 足够高的激光跃迁终端能级，所以在室温下容易实现连续工作。目前，至少已经 有1 0 0 种掺钕的增益介质获得了受激发射，而且掺钕离子激光器的输出功率一股 高于其他四能级增益介质。钕可以在许多基质材料中掺杂，如玻璃、氧化物( 石 榴石和铝酸盐) 、陶瓷、硝酸盐和硅酸盐、钒酸盐类和氟化物等，并且大部分都能 获得较高效率觞激光运转。嚣前应用较广的有：n d ：婚、n 鑫：y v 瓯、n d ：y l f 、 n d ：g d v 瓴、套斑：g l a s s 和n d ：淞g 陶瓷等。 ( 1 ) n d ：y a g 掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 晶体是研究最成熟蛉激光材料。曩前广泛应用于 闪光灯泵浦和l d 泵浦的y a g 激光器，占固体激光器的9 0 左右。它的优点是， 基质很硬，光学质量好，而且热导率高。此外，y a g 的立方结构有利于形成窄的 荧光线宽，使激光器高增益和低阈值工作。在n d ：y a g 中，三价钕代替三价钇， 所以不需电荷补偿。在生长方面，用提拉法也容易生长出高质量大尺度的晶体。 由于n d ：y a g 晶体所具有的优良特性，用于l d 泵浦时，既可用小型化、低功率器 件，也可作高功率输出；既适合连续运转，也适合脉冲王作；既可输出多纵模、 宽谱线，也适用于产生单纵模、窄线宽，是适合泵浦的理想激光晶体之一。 ( 2 ) n d ：y v 0 4 ： 掺钕的钒酸钇是四方晶体，属锆英石( s r s i 0 4 ) 型结构，肇轴晶系。n d ：w 0 4 中激活离子位置具有低的点群对称性，离子振荡强度大。w 瓯基质对砒离子有 敏化作用，提高了它的吸收能力。n d ：y v 0 4 在l 。0 6 陋处有较大的受激发射截蕊， 是n d ：y a g 的四倍，在8 0 8 姗附近的n d ：y v 0 4 的吸收带宽约2 0 姗，是n d ：y a g 的五倍之多。且吸收峰值也很高，所以特别有利于l d 泵浦。9 4 年美国a e r o s p a c e c o 的c f i n c h e r 和r f i e i d s 用l d 泵浦掺杂l 的n d ：y v 0 4 晶体，斜效率高达 7 2 f 1 胡，证明n d ：y v 0 4 是一种高效激光晶体。同时n d ：y 、厂0 4 是一种高双折射率晶 体( 在1 0 6 呻处，渤= l 。9 5 8 ，附之1 6 8 ) ，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。n d ：y v 侥晶体的缺点是导热性差，枧械性能也不如n d ：y a g ， 4 山东师范大学硕士学位论文 不适合灯泵。另外，冬：y v 0 4 的上能级寿命毙n d ：张g 和n d ：y 蹬短，大尺寸豹 晶体也难生长。上述缺点限制了它在高平均功率下的应用。但对l d 泵浦的中小功 率连续波激光器，特别是微片激光器( m 蕊o c l l i pl a s 嚣) 来说，n d ：y v 0 4 仍是理想 的增益介质。 ( 3 ) n d ：y n f 4 ， 掺钕氟化钇锂是正单轴晶体，在1 0 4 7 岫具有较高增益。上能级荧光寿命大 约在4 8 0 5 2 0 陋范围内，在功率较低时仍能储能，适合产生大能量调q 脉冲。 它的荧光线宽是y a g 的二倍多，有利于产生窄脉宽超短脉冲输出。n d ：y l i f 4 的 l 。0 5 3 陴波长正好与大功率激光放大系统的n d 玻璃激光波长相吻合，因此可作注 入种子源。但仑m ：y l f 的热机械性能不佳，抗断裂能力只有n d ：w 岖的五分之一， 不易用予高平均功率。n d ：1 旺曩的吸收带宽仅为2 n m ，与l d 发射光谱宽度相当， 激光输出将强烈依赖于l d 的结温变化，所以应用中对l d 温度控制要求较为严格。 ( 4 ) n d ：g d v 0 4 掺钕钒酸钆晶体，是近几年发展起来的新晶体，与n d ：y v 0 4 性质相近，但是 其对8 0 8 啪的吸收截面和吸收系数比n d ：w 0 4 的大，而且热导率是n d ：y v 0 4 的2 倍多，所以在较高功率泵浦下的激光稳定性优于n d ：y 、，0 4 。表1 1 给出了几种掺 钕的激光晶体的主要特性参数。 l 。2 全固态王。3 岫激光的研究意义及进展 l d 泵浦的1 3 4 2 珊n d ：y v 0 4 激光器在很多方面都有重要的应用。1 3 4 “m 波段是 人眼安全区，同时与硅光纤低色散和低损耗的波长一致，医此重。3 4 弘m 区域的激光 可以广泛应用于激光医学、光纤通信、光传感定位以及中红外参量振荡的泵浦源 等领域。通过将王3 4 2 濉倍频得到的6 7 董蕊红光霹戬用作c r ：n s 艋、c r ：“s q 疆、 c ! r ：l i s c a f 等可调谐固体激光介质的泵浦源 1 3 ，这将在很大程度上代替价格昂 贵、结构复杂、效率低的氮离子激光器。另外6 7 l 蕊红光对应着彩色全患感光胶层 的最大光谱灵敏度，可用于彩色显示领域。1 3 4 2 册的四倍频3 3 6 n m 光可广泛用予光 生物学和光医学领域，特别是震于荧光鲍观测和成像领域 1 4 】。 山东师范大学硕士学位论文 表1 1 儿种常用激光晶体的主要激光特性参数 tg 九p 九l a 鲥 从p o i a r i c r 、r s t a i ( 炉) ( 1 0 1 9 c m 2 )( n m )( n m ) ( n m )( n m ) z a t i o n n d ：y a g9 4 6 m ：1 3 4 9 4 6 ( n da t1 ) 2 3 01 0 6 4 m n ：4 88 0 7 5 1 0 6 4 2 50 6 n o n c 1 3 1 9 姗：1 o 1 3 1 9 n d ：y v 0 49 1 4 姗：1 79 1 4 ( n d a t1 )9 810 6 4 n m ：2 5 8 0 8 7 1 0 6 4 1 5 70 8| l 已 1 3 4 2 珈 1 1 ：6 1 3 4 2 n d ：y l f5 2 01 0 4 7 锄：1 8 7 9 8 ( 兀)1 0 4 7 0 ) 6 41 4| | c 1 0 5 3 n m ：1 2 8 0 6 ( o )1 0 5 3 ( g ) ( 动 4 o ( o ) n d ：( v 0 4 1 0 07 68 0 8 51 0 6 31 3 51 0| | 巴 n d ：y a p1 7 03 7 ( a ) 8 0 210 7 9 5 ( a )4 o1 0 ( a ) 9 9 1 7 ( b )1 0 6 4 1 ( b ) ( b ) 4 0 n d ：9 1 a s s 3 0 03 18 0 11 0 6 21 42 6n 0 n e n d ：l s b1 1 82 18 0 81 0 6 43 n d ：s 、f a p2 1 55 o8 0 9 61 0 6 55 91 4| | c n d ：s f a p2 9 85 48 0 5 21 0 5 8 8 5 6 o 6 1 3 2 8 n d ：g g g2 6 52 18 0 81 0 6 21 2 1 2 1 全固态1 3 岬连续运转激光的进展 自1 9 9 4 年开始就有激光二极管( l d ) 抽运的1 3 4 2 删：w 0 4 激光器的研究报 道，至今激光二极管抽运的1 3 4 2 衄n d ：y v 0 4 激光器的研究已有了很大的进展。 1 9 9 4 年，b o w k e t t 等人使用l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 微片，首次实现了1 3 4 2 m 连续激 光输出，当时的输出功率仅为9 1 m w ，光光转换效率也只有11 4 1 5 。2 0 0 2 年， a d i “e t o 等人采用低掺杂浓度的n d ：y v 0 4 ( o 3a t ) 晶体，获得了7 3 w 的1 3 4 2 啪 连续输出，斜效率为4 0 1 6 】。国内的天津大学、山东师范大学等单位的研究人员 采用低掺杂浓度的n d ：w 0 4 晶体以及优化的谐振腔，分别获得了8 2 4 w 和7 3 6 w 的 1 3 4 2 n m 连续激光输出，相应的光光转换效率分别为3 7 5 和3 2 8 1 7 ，1 8 。2 0 0 2 年， 6 函象戆藿大学矮壬攀饿论文 h o 西1 v y 等人利用双端面泵浦n d ：y v 0 4 的方法，获得了8 wt e m o o 的1 3 4 2 咖连续 输出，相应的光光转换效率和斜效率分别为3 3 秘4 2 【1 9 】。国内中科院物理新匏 研究人员也利用双端面泵浦的方法，通过优化的谐振腔设计，获得了l i w l 3 4 2 衄 连续输出，斜效率为3 1 4 【2 0 】。2 0 0 3 年，a d i l i e t 0 等人采用两块单端面泵浦的 埘：w 魄串联的方法，在一谐振腔中实现了1 2 w 1 3 4 2 髓连续激光输出【2 l 】。2 4 年，a m i n 鹊s i a n 和m j d 觚1 z e n 采用所谓的b o u l l c eg e o m e t r 旷谐振腔结构并结合与 该振荡器结构相同的放大器，获得了2 0 w 的1 3 4 2 眦的连续输出 2 2 】。图1 2 给出了 他们所采雳的激光系统示意图。 图l - 2 文献【2 2 】所采用的激光系统示意图 1 2 2 全固态l 。3 岬脉冲激光及其倍频和四倍频激光的研究进展 对于n d ：y v 0 41 3 4 2 啪的脉冲运转，也有很多研究者予以了关注。中科院物理 所的研究人员利用声光开关，在重复频率为1 5 骚至z 时，获得了单脉冲能量7 l 、脉 宽5 6 璐以及峰值功率1 2 7 娜的脉冲输出 2 3 j 。2 7 年，清华大学采用采用双端面 泵浦n d ：w 0 4 的方式并施以声光调制获得了大功率、高重复频率的1 3 4 2 舯脉冲输 出，其最大调制重复频率为l o o 娥z ，在重复频率为5 强h z 时，输出脉冲的平均功率 为n 2 w ，相应脉宽为6 0 n s 【2 4 】。早在1 9 9 7 年，r f l u c k 等人利用琢g a a 娥半导体可 饱和吸收镜实现了n d ：y v 0 41 3 4 2 姗的被动调q 单频运转，输出的脉冲宽度最短达 2 3 印s 【2 5 】。掺p b s 盼磷酸盐玻璃以及掺c 0 2 + 的晶体( 如c 0 2 + ：k g a 5 侥，c 0 2 + ：m g a l 2 瓯， c 0 2 + ：l 洲斛1 1 0 1 9 ) 也可用作1 3 岫波段的被动开关，并成功地实现了各种掺钕激光 7 东师范大学硕_ j ，学位论文 晶体的玻动调q 运转 2 6 3 0 ，我f f j 利用c o ：l a m g a l l 】0 19 作为被副j 调q 晶体，以 n d ：y v 0 4 作为增益物质，实现了其1 3 4 2 n m 的彼动调q 运转，输出脉冲的平均功率 为5 8 0 m w ，脉宽为4 2 n s ，相应的单脉冲能量和峰值功率分别为1 4 5 和3 4 6 w 3 1 。 利用非线性晶体可实现1 3 4 2 n m 的频率转换，拓宽了其应用范围。长春光机所、 中科院物理所、天津大学等单位利用n d ：y v 0 4 l b o 组合，通过优化谐振腔设计， 均分别获得了瓦级红光输出 3 2 3 4 。南京大学采用n d ：y v 0 4 p p l t 组合，实现了 1 3 4 2 n m 的腔外倍频，输出红光的平均功率达8 4 0 m w 3 5 。之后他们又采用近化学 计量比的p p l t 作为倍频晶体，获得了1 4 w 的红光输出 3 6 。图1 3 给出了他们所 得到的红光照片。2 0 0 4 年，h a m i s ho g i l v y 等人采用双端面泵浦n d ：y v 0 4 的方式， 以l b o 作为腔内倍频晶体，实现了大功率、高重复频率的红光输出( 1 7 w ，1 0 0 k h z ) 。 在此工作的基础上，他们利用一块一类相位匹配的b b o 晶体( 0 = 3 5 4 。) 实现了6 7 1 n m 的腔外倍频，从而获得了1 3 4 2 m 的四倍频光( 3 3 6 n m ) 3 8 。2 0 0 7 年，深圳大学的研 究人员采用与文献 3 8 相同的泵浦方式以及n d ：y v 0 4 l b o 组合，通过增大泵浦功 率，实现了1 0 2 w 的红光输出 3 9 。图1 4 给出了他们的光路示意图。 图1 3 利用光学超品格倍频得到的6 7 1 m 光斑照片 山东师范大学硕士学位论文 1 3 全文内容概述 论文的主要内容包括： 本论文第一章首先简述了全固态激光器的发展过程，并介绍了全固态 圣诞：y v 瓯1 3 4 2 瑟黻激光器的研究意义及国悫夕 的研究进展。 第二章在分析了u ) 泵浦n d ：y v 0 4 1 3 4 2 n m 激光器热效应的基础上，通过实验 研究了l ，d 端面泵浦n d ：y v 0 4 1 3 4 2 姗激光器连续输出特性。采用低掺杂的激光晶 钵以及优化的谐振腔，获褥了6 。6 3 w 的1 3 4 2 啦连续输出，相应的光光转换效率 以及斜效率分别为4 2 8 和4 3 9 。 第三章给出了主动调q 的理论模型，并实验研究了l d 端面泵浦n d ：w 0 4 声光 调q 1 3 4 2 懿撒激光器的输出特性，如平均输出功率、调q 脉宽、单脉冲能量等随泵灞 功率以及重复频率的变化关系。在我们的实验条件下所获得的1 3 4 2 贼最大平均功 率为2 9 4 w ，相应的重复频率和脉宽分别为1 0 妊i z 和1 6 1 5 邶。 第四章给出了被动调q 的理论模型，分析7 激光晶体、饱和吸收体以及谐振 腔等参数对调q 输出性能的影响。实验研究了l d 端面泵浦 n d ：y v 0 4 c 0 2 + ：i m a l 3 4 2 衄被动调q 激光器的输出特性，获得了最短脉宽为4 2 n s 的脉冲输出，其相应的平均功率和重复频率分别为5 8 0 m w 和4 0 k 王至z 。据我们所知 这是采用l d 泵浦套融：y v o c 0 2 + ：弧缎结构所获得的最短脉冲。同时还研究了 c 0 2 + ：u 讧a 在两种偏振态下( e j i c 和e c ) 调q 运转特性，并对实验上所观察到 的次脉冲现象给瀣了合理的物理解释。 第五章通过采用平凹腔结构以及k 瞪倍频晶体实现了全圈态嵩功率 n d ：y v 0 4 瓜皿腔内倍频6 7 1 嫩红光输出，其最大平均输出功率为1 3 7 w ，相应的重 复频率和脉冲宽度分别为1 5 越k 和3 3 髓s 。将倍频过程视为腔内损耗并将其带入声光 调q 的速率方程组并数值求解，模拟了6 7 l 瓣红光的输擞波形，所得结果与实验较 为吻合。在此基础上通过在腔外加入b b o 晶体，我们实现了1 3 4 2 锄的四倍频输出， 3 3 5 5 衄的最大平均输出功率为1 0 i n w 。 9 山东师范大学硕士学位论文 第二章全固态n d ：w 0 4 1 3 4 2 n m 连续运转激光器 由于较大的量子亏损以及激发态吸收，l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 1 3 4 2 1 1 m 的热透 镜效应要比其辐射1 0 6 4 衄时严重一些。为此通过采用低掺杂的激光晶体以及优化 的谐振腔，我们研究了l d 端面泵浦n d ：w 0 4 1 3 4 2 咖激光器的连续输出特性，获 得了最大6 6 3 w 的连续输出，相应的光光转换效率以及斜效率分别为4 2 8 和 4 3 9 。 2 1n d ：w 0 4 的光谱特性 目前常用的可获得高功率1 3 岬附近激光输出的激光增益介质有 n d ：y a g ( 1 3 1 9 胁) ，n d ：y 、厂0 4 ( 1 3 4 2 姗) 和n d ：g d v 0 4 ( 1 3 4 0 n m ) 等。其中n d ：y v 0 4 晶 体在1 3 4 2 姗谱线处具有最大的受激发射截面，几乎与n d ：y a g 晶体最强的1 0 6 4 n m 谱线处的受激发射截面相当，比n d ：y a g 晶体在1 3 1 9 衄谱线处的受激发射截面高 出约一个数量级；是n d ：g ( 1 v 0 4 晶体在1 3 4 0 衄谱线处受激发射截面的2 倍。图2 1 是 n d ：y v 0 4 晶体在室温下的吸收谱谱，图2 2 则给出了其室温下的荧光谱 1 】。 n d ：w 0 4 晶体的物理性质与n d ：y a g 和n d ：g d v 0 4 晶体相比略差，尤其是其热 导率很低；而且热破坏阈值很低，只有n d ：y a g 晶体的四分之一，这对实现高功率 激光输出非常不利。为了提向湘：y v 0 4 晶体在1 3 4 2 姗谱线处的输出功率，必须进 行热效应的研究和补偿。表2 1 给出了其物理和光学特性。 图2 1l m 加厚0 5a t n d ：y v 0 4 室温下的吸收谱 出东烬范大学磺士学位论文 + ，j ，； ， 一、，i 十一 o 。一一，i 饥 岛；i 警萎瓤。r +一奄：孟麓i 强辑髦一舞翻 ；，毒滴嚣纛；：， ，j 口2 口# 0 一- l9 | “2 m 一| t- 一：；、j 7 37 确* i 。 ， d ” ” f _4一，： 譬? 麓移t ：j，誊囊、螽囊巍；荔移5 ： _ “ f。7l ，k 。 n+ 譬，“：? ；i 一擎 f _ “：e ? ：i j ：麓嫩。一 ”0 ：+ 专、? 盘? = ，；v 一w j ： o 警k 嚼tj 吒，o 扩? l 0 i 一：。 、 f w 一* ￥pq 。一 ， 7 + 凳? 。鬟? ? j ? 4 暑? ：o “簪寥? ：j j ? ? 譬? ”誉_ 。l j 羹荔囊。：； ，蠢蔼霆囊茈誊；i 舞：誊毒j 童：，o o fm ； + ? 一+ 一t ，”，- = 。：曩、； ：? 菇；j 菇i蠢r t ：j 爹i = ：碜：羹警毒。委1 ：，p j 。一? ? 擎，：一“ 矜。黪誉i 麓譬： 滋0雌羔? - ：； 国) 图2 - 21 1a t n d ：y v 0 4 窒温下归一化的荧光谱，水平偏振( a ) 以及垂直偏振( b ) 表2 1n d ：y v - 。4 的物理和光学特性 c l v s t a ls t l 1 l l 糕r e z i r c o nt e 渤g o 枷，s p a c eg r o u pd 4 h ，a - b 一7 “8 ， c = 6 2 9 3 m o h sh a r d n e s s4 。6 5 m e l t i n gp o i n t 1 8 l o p o s 试v e 试黻i 蠢，孰严珞习氇鼍b n 户1 9 5 7 3 ，埘= 2 1 6 5 2 ， 1 0 6 4 n m r e 重r a c t i v ei n d e x e s 妒l 。9 7 2 l ，氇= 2 。1 8 5 8 ， 8 0 8 啦 i l o = 2 0 2 1 0 ，n e = 2 2 5 6 0 ， 5 3 2 i l i n t h e r i 致建lo p 鼍主c a lc o e 耋蠢c 耋e 珏l蕊瑚t = 8 。5 x l 驴敝，翻。庭疆= 3 鲰l o