（光学专业论文）连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究.pdf

中文摘要 i 中 文 摘 要 中 文 摘 要 紧凑稳定高效的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器，以其较宽的 输出光谱、较高的输出功率、较低的强度噪声等优点，可广泛应用于高 灵敏度的干涉仪、高分辨率激光光谱、引力波探测、量子通讯、原子冷 却等领域。一方面，我们可以通过对钛宝石晶体本身特性进行分析，设 计并优化光学谐振腔，以及在谐振腔内插入激光器必须的光学元件等手 段，获得高效稳定的连续单频可调谐钛宝石激光器。另一方面，随着科 学技术的发展，人们对激光器的强度噪声更加关注，因为激光器强度噪 声的存在对许多实验结果产生不利的影响，进而阻碍了钛宝石激光器在 科研领域中的应用。因此，提高全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的 相关指标和降低钛宝石激光器的强度噪声就成为了发展全固态连续单频 可调谐钛宝石激光器的主要内容。为此，我们主要从设计和优化激光器 谐振腔，降低激光器强度噪声等方面对全固态连续单频可调谐钛宝石激 光器进行了研究，其主要工作如下： 1. 通过对具有宽带吸收光谱和宽带发射光谱的增益介质钛宝石晶体 的分析，设计了消除像散的四镜环行谐振腔。利用传输矩阵，分析了四 镜环行谐振腔的稳区和腰斑的变化特性，合理选择谐振腔参数，使激光 器工作在最佳状态。 在谐振腔内插入了由外加磁场的 tgg 晶体和消色差 半波片组成的宽带该光学单向器后，激光器在可调谐的波长范围内均实 现了单向运转。 连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 ii 2. 理论上分析了最大输出功率与腔内损耗以及输出耦合镜透射率之 间的关系，得到了不同泵浦功率下的输出耦合镜最佳透射率。实验上利 用腔内插入薄熔融石英片和更换输出耦合镜透射率的方法，测量了腔内 损耗，在此基础上得到不同泵浦功率下的输出耦合镜最佳透射率，进而 优化了激光器。最后，将激光器锁定在高稳定度的光学参考腔上，提高 了激光器的输出稳定性。 3. 分析了双折射滤波片和标准具以及压电陶瓷在钛宝石激光器中的 调谐特性。在钛宝石激光器中，钛宝石晶体的发射谱决定了最大调谐范 围；双折射滤波片在激光器中起粗调作用，其最薄一片决定其最大调谐 的范围，而最厚一片决定其调谐的精度；标准具是一种选模调谐，尽管 其调谐精度很高，但其仍是非连续的调谐；而要想获得真正的连续调谐， 还需要改变谐振腔上的压电陶瓷的电压，通过改变压电陶瓷的电压，进 而改变谐振腔腔长，最后达到连续调谐的目的。 4. 在获得高稳定性的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器后，我们 研究了钛宝石激光器的强度噪声特性。首先，我们研究了泵浦源的纵模 结构对钛宝石激光器的影响，发现以单频绿光激光器取代单横模绿光激 光器作为钛宝石激光器的泵浦源时， 钛宝石激光器的强度噪声明显降低。 在此基础上，我们还研究了泵浦源的泵浦速率等因素对钛宝石激光器的 影响。随着泵浦速率的增大，激光器的弛豫振荡频率向高频方向移动， 而弛豫振荡的幅度减小。最后，我们用一种理论模型拟合了钛宝石激光 器的强度噪声，该模型适用于泵浦源有一定分布特点的激光器。 5. 尽管采用单频绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源，钛宝石激 中文摘要 iii 光器的强度噪声在 2.5mhz 处已达到量子噪声极限，然而在低频段，钛 宝石激光器的强度噪声仍然高于量子噪声极限。为了获得低噪声的钛宝 石激光器，我们采用光电负反馈来抑制钛宝石激光器的强度噪声。通过 选取合适的反馈增益，位相延时及带通滤波，在频率为 1.125mhz 处， 钛宝石激光器由原先的 8.7db 降到了抑制后的 1.4db， 抑制程度达 7.3db。 而且通过选择不同的位相延时和带通滤波可以获得不同频率点的强度噪 声抑制。 创新性的工作： a. 设计并获得了结构紧凑，稳定性好的钛宝石激光器，其相关指标 基本上达到目前国外产品的水平。 b. 利用腔内插入熔融石英片的方法测量了腔内损耗，研究了激光器 在不同泵浦功率下的最佳透射率，优化了谐振腔。 c. 通过对调谐元件的设计，在达到调谐宽度的基础上，提高了调谐 精度。 d. 研究了泵浦源的纵模结构以及泵浦速率等因素对钛宝石激光器强 度噪声的影响，提出了一种适合泵浦源强度噪声有一定分布特点 的理论拟合方法。 e. 利用光电负反馈抑制了钛宝石激光器的强度噪声。 a. 设计并获得了结构紧凑，稳定性好的钛宝石激光器，其相关指标 基本上达到目前国外产品的水平。 b. 利用腔内插入熔融石英片的方法测量了腔内损耗，研究了激光器 在不同泵浦功率下的最佳透射率，优化了谐振腔。 c. 通过对调谐元件的设计，在达到调谐宽度的基础上，提高了调谐 精度。 d. 研究了泵浦源的纵模结构以及泵浦速率等因素对钛宝石激光器强 度噪声的影响，提出了一种适合泵浦源强度噪声有一定分布特点 的理论拟合方法。 e. 利用光电负反馈抑制了钛宝石激光器的强度噪声。 关键词：钛宝石激光器；腔内损耗；激光调谐；强度噪声；光电负反馈 连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 iv abstract all-solid-state continuous-wave single-frequency tunable ti:sapphire lasers with compact configuration, high stabilization and high efficiency have been extensively applied to high-precision interferometry, high-sensitive laser spectroscopy, gravity-wave detection, quantum communications, atom cooling and so on owing to their broad tunable wavelength range from 700 nm to 1000 nm, high output power and low intensity noise. it has been demonstrated that the ti:sapphire laser with high-efficiency and high-stabilization can be achieved by analyzing the characteristic of the ti:sapphire crystal, designing and optimizing the resonant cavity and inserting the necessary optical devices into the laser cavity. however, when ti:sapphire lasers are used in the experimental researches for laser cooling of atoms, quantum optics and quantum information, more and more attentions have to be paid in reducing intensity noises of their output light since the extra noises of laser sources will severely influence the experimental results. during the period of my ph. d study, we designed and constructed a cw ti:sapphire laser firstly. then, we experimentally analyzed the noise characteristics of the ti:sapphire laser. the accomplished main works are as following: 1. based on analyzing the absorption and emission spectra of ti:sapphire crystal, we design a ring laser resonantor with four mirrors, in which abstract v the optical astigmatism is compensated. using the transmission matrix the stable operation conditions of the laser and the properties of the beam-waist are calculated. by optimized the parameters of the laser resonantor the unidirectional operation of the laser can be realized in the required tunable range. 2. the dependences of the ti:sapphire laser output power on the intracavity losses and the transmission of the output coupler are theoretically analyzed and experimentally investigated. according to the experimentally measured intracavity losses and the given transmission of the output coupler, the design of the laser is optimized and the stable laser output with higher power is obtained. in order to improve further the frequency stability of the ti:sapphire laser, a confocal reference cavity and an electronic servo-system are used for the laser frequency locking on. 3. the tuning properties of the ti:sapphire laser are analyzed. the maximum tuning wavelength range is limited by the bandwidth of the ti:sapphire crystal. a set of brf inserted in the resonant cavity serves as the tuning element of the laser. the tuning range and the tuning precision are determined by the thinnest and the thickest plate of the brf, respectively. besides, an etalon inserted in the resonant cavity can improve further the tuning precision in a noncontinuous tuning fashion. in order to achieve the continuous tuning, we change the voltage of the 连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 vi pzt attached on a cavity mirror to adjust the resonant frequency of the cavity, continuously. 4. to research the intensity noise of the built ti:sapphire laser, its intensity-noise dependence on the longitudinal-mode structure of the pumping source is experimentally studied, firstly. we find that the intensity noise is significantly reduced when a single-longitudinal-mode green laser is utilized as pumping source instead of the multi-longitudinal-mode green laser. then the influences of the pumping rate and the wavelength of the laser on the intensity noise of the ti:sapphire laser are studied. increasing the pumping rate, the frequency of the relaxation resonant oscillation (rro) moves toward higher frequency and the amplitude of rro peak decreases. finally, we theoretically analyzed the spectra of the intensity noise of the output laser and the theoretical calculation and the experimental result are in good agreement. the theoretical model can be applied to calculate the intensity noise spectra of the laser pumped by a pumping source with a noise distribution. 5. in order to suppress the intensity noise at the low frequencies of the all-solid-state continuous-wave single-frequency tunable ti:sapphire laser, the characteristic of the optoelectronic feed-forward is theoretically analyzed. the calculated result shows that the best gain of the feedback circuit depends on the injected noise. then, the abstract vii characteristic of the intensity noise suppression at the low frequencies by means of the optoelectronic feed-forward is experimentally investigated. by tuning carefully the gain of the feedback circuit the suppression of the intensity noises can be optimized. the decrease of the amplitude of the intensity noise from 8.7 db to 1.4 db is experimentally observed, and the maximum noise suppression of 7.3 db is obtained at 1.125 mhz. it has been demonstrated that by selecting the best delay time and feed-forward gain, the intensity noise can be suppressed almost to the quantum noise level at any sideband frequency. the creative works are as following: a. we designed and built an all-solid-state cw single-frequency tunable ti:sapphire laser. b. the ti:sapphire laser was optimized by inserting a silicon plate to measure the intracavity losses and studying the relationship bwtween the output power and transmission of the output coupler. c. the tuning precision was improved by designing and selecting a suitable tuning device. d. influences of the longitudinal-mode structure of the pumping source and a variety of factors on the intensity noise of the ti:sapphire laser were studied and a method for theoretically calculating the intensity noise spectra was applied. 连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 viii e. intensity noise at the low frequencies of the ti:sapphire laser was suppressed by optoelectronic feed-forward control. key words: ti:sapphire laser; intracavity losses; tunable; intensity noise; optoelectronic control 承诺书 97 承 诺 书 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立完成 的，学位论文的知识产权属于山西大学。如果今后以其他单位名义 发表与在读期间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已 经注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的成果。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立完成 的，学位论文的知识产权属于山西大学。如果今后以其他单位名义 发表与在读期间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已 经注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的成果。 作者签名： 2011 年 月 日 作者签名： 2011 年 月 日 学位论文使用授权声明 98 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解山西大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档， 允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇 编学位论文。 同意山西大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播 论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 本人完全了解山西大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档， 允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇 编学位论文。 同意山西大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播 论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名： 导师签名： 2011 年 月 日 作者签名： 导师签名： 2011 年 月 日 第一章 绪论 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 引言 1.1 引言 自 1960 年1的第一台激光器问世以来，激光就给人们带来一个全新的世界，而 在激光器的研制过程中，由于工作物质的关系，一种激光器只能产生固定波长的激 光输出，这就给激光器在实际中的应用带来很大的局限性，为此，人们就开始探索 可调谐激光介质，并致力于可调谐激光光源的研究，以适应众多领域及交叉学科的 发展。20 世纪 60 年代中 p. p. scorokin 以及 f. p. schafer 发明了染料激光器 2，实现 了由近紫外到近红外光谱区的连续可调谐激光运转。在此后近 20 年的时间里，染料 激光器在可调谐激光器领域， 一直占据着主导地位。 直到20世纪80年代， p. f. moulton 发明了固态掺钛蓝宝石激光器 3，才开始打破染料激光器一统天下的局面。 钛宝石(ti3+:al2o3， 英文为 titanium sapphire)激光器是一种顺磁子的固体可调谐 激光器，具有较宽的输出光谱（6001200nm） 、较高的转换效率、运转方便以及对泵 浦源的波长具有很好的适应性等许多突出的优点，在激光化学、激光光谱、非线性 光学、激光遥感、激光雷达、大气光学等方面有着广泛的应用前景。迄今为止，钛 宝石激光器是输出光谱在红光和近红外波段处调谐范围最宽的固体激光器之一。随 着钛宝石晶体生长技术的不断完善和发展，钛宝石激光器也逐渐完善。到目前为止， 钛宝石激光器已实现了脉冲、准连续、连续以及锁模运转。 1.2 研究意义 1.2 研究意义 全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的激光输出光谱覆盖了700-1000nm的红光 和近红外波段，是迄今为止调谐范围最宽，质量优良的固体激光器。作为原子冷却 与原子俘获的优质光源，连续单频可调谐钛宝石激光器在冷原子物理以及量子光学 研究中发挥着重要的作用。其中，780nm 和 795nm 激光波段对应于铷原子跃迁线， 可以用来俘获铷原子并将之冷却；同时，通过 opo 技术也可将 780nm 激光下转换， 获得 1560nm 纠缠光束，它位于光纤通信的低衰减，低色散窗口，与当前的通信网络 系统匹配兼容，可用于量子保密通信研究。而且，随着科学研究的不断深入，人们 不仅要求激光器具有较高的输出功率和很好的光束质量，而且要求激光器具有很低 的强度噪声，因为激光器强度噪声的存在，将对许多实验结果产生不利的影响4-6， 连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 2 尤其是在用此光源进行非经典光场产生的实验时，由于经典噪声的存在，非经典光 场的关联度将受到严重的影响。因此，低噪声的全固态连续单频可调谐钛宝石激光 器在非线性光学、量子光学、量子通信、量子测量等科学研究领域以及医疗器械等 方面有着广泛的应用前景及潜在的市场。 国外对连续单频钛宝石激光器的研究发展迅速，最具代表性的是美国相干公司 推出的 mbr 系列钛宝石激光器7，尽管 mbr 系列激光器充分考虑了激光器的效率 和稳定性，但他们没有关注激光器本身的强度噪声以及如何抑制激光器的强度噪声。 其次还有，美国的光谱物理激光公司推出的 matisse 系列可调谐钛宝石激光器8，其 采用六镜环行腔设计，而且泵浦源采用的是该公司自己生产的单横模绿光激光器， 其效率和稳定性以及噪声都受到很大的限制。最后是俄罗斯 tekhnoscan 推出的 tis-sf-0779，其采用的也是六镜环行谐振腔设计，但其没有提供泵浦源。此外，最 近英国的 m square lasers 公司10也生产钛宝石激光器， 其主要的技术指标已经达到 了相干公司产品的水平。 国内在这方面的研究工作主要集中在脉冲11和准连续12工作方式以及单横模13 激光输出上，并取得好的研究成果。对于连续输出的单频可调谐钛宝石激光器的研 究和报道则相对较少。为了给量子光学和冷原子物理研究提供优质的光源，我们开 展了全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的研究，而我们自行研制的 10w 单频绿光 激光器的研制成功及投入生产为我们该项目的开展提供了有利保障。 1.3 本文的主要工作 1.3 本文的主要工作 基于全固态连续单频可调谐钛宝石激光器在我们实验室和其它科研领域有着广 泛的应用前景，以及为了推动我们实验室基础研究和应用研究的发展，加快我们国 家自主研发的步伐，我们研究和设计了低噪声的连续单频可调谐钛宝石激光器。在 此过程中，我们主要的工作以及取得的研究成果如下： 1. 通过对具有宽带吸收光谱和宽带发射光谱的增益介质钛宝石晶体的分析，设 计了消除像散的四镜环行谐振腔。通过传输矩阵，分析了四镜环行谐振腔的稳区和 腰斑的变化特性，合理选择谐振腔参数，使激光器工作在最佳状态。设计了宽带光 学单向器，分析了宽带光学单向器在谐振腔内的工作特性，在谐振腔内插入该光学 单向器，激光器可在可调谐的波长范围内均实现单向运转。 2. 理论上分析了最大输出功率与腔内损耗以及输出耦合镜透射率之间的关系， 得到了不同泵浦功率下的输出耦合镜最佳透射率。实验上利用腔内插入薄熔融石英 第一章 绪论 3 片和更换输出耦合镜透射率的方法，测量了腔内损耗，在此基础上得到不同泵浦功 率下的输出耦合镜最佳透射率，进而优化了激光器。最后，将激光器锁定在稳定度 极高的光学参考腔上，使激光器的输出更加稳定。 3. 分析了双折射滤波片和标准具以及压电陶瓷在钛宝石激光器中的调谐特性。 在钛宝石激光器中，钛宝石晶体的发射谱决定了最大调谐范围；双折射滤波片在激 光器中起粗调作用，其最薄一片决定其最大调谐的范围，而最厚一片决定其调谐的 精度；标准具是一种选模调谐，尽管其调谐精度很高，但其仍是非连续的调谐；而 要想获得真正的连续调谐，还需要改变谐振腔上的压电陶瓷的电压，通过改变压电 陶瓷的电压，进而改变谐振腔腔长，最后达到连续调谐的目的。 4. 为了获得低噪声的钛宝石激光器，我们研究了钛宝石激光器的强度噪声特 性。首先，研究了泵浦源的纵模结构对钛宝石激光器的影响，发现以单频绿光激光 器取代单横模绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源时，钛宝石激光器的强度噪声 明显降低。在此基础上，我们还研究了泵浦源的泵浦速率以及激光器输出波长对钛 宝石激光器的影响。随着泵浦速率的增大，激光器的弛豫振荡频率向高频方向移动， 而弛豫振荡的幅度减小。同时，随着输出波长的变化，激光器弛豫振荡的频率也在 变化，这主要归因于不同振荡光波长时，激光器的增益不同而导致的。最后，我们 用一种理论模型拟合了钛宝石激光器的强度噪声，该模型适用于泵浦源有一定分布 特点的激光器。 5. 尽管采用单频绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源，钛宝石激光器的强度 噪声在 2.5mhz 处已达到量子噪声极限， 然而在低频段， 钛宝石激光器的强度噪声仍 然远高于量子噪声极限。为了获得低噪声的钛宝石激光器，我们采用光电负反馈来 抑制钛宝石激光器的强度噪声。通过调节合适的反馈增益，位相延时及带通滤波， 在频率为 1.125mhz 处，钛宝石激光器由原先的 8.7db 降到了抑制后的 1.4db，抑制 程度达 7.3db。 而且通过选择不同的位相延时和带通滤波可以获得不同频率点的强度 噪声抑制。 连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 4 第二章 全固态连续单频可调谐钛宝石激光器 第二章 全固态连续单频可调谐钛宝石激光器 2.1 引言 2.1 引言 掺钛蓝宝石激光器的激光输出光谱覆盖了 7001000nm 的红光和近红外波段3， 是迄今为止调谐范围最宽的固体激光器。1988 年，peter a schulz14首次实现了氩离 子泵浦下连续钛宝石激光器的单频运转，其波长调谐范围为 750850nm，在自由运 转的情况下获得的 10s 内的频率稳定性优于 2mhz。 全固态连续可调谐钛宝石激光器 的研究始于 1991 年的 james harrison15等人，他们利用腔内倍频的 nd:yag 激光器 作为泵浦源获得功率仅为 150mw 的全固态钛宝石激光器。 1996 年， masaki tsunekane 和noboru taguchi16利用6.3w的单横模绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源得到 线宽小于 5mhz 的激光输出。在 2002 年，elizabeth a cummings17等利用注入锁定 的方法得到 1w 的全固态连续钛宝石激光器。在 2005 年，yong-ho cha18等在利用 verdi 作为泵浦源的情况下，利用注入锁定的方法将钛宝石激光器加以锁定，经锁定 后，其频率稳定性优于 47.8mhz(4 h)，但其波长调谐范围仅为 50ghz(0.1 nm)。针 对原子冷却和量子信息存储研究的特殊要求，我们通过理论计算，减少调谐元件及 采用短腔长设计研制了在 750810nm 范围内波长连续可调谐的窄线宽、 稳定性好钛 宝石激光器。本文首先在充分考虑钛宝石激光腔的模匹配及像散补偿后设计了短腔 长的四镜环行谐振腔结构，通过在腔内插入光学单向器使得钛宝石激光器连续单频 输出。利用双折射滤波片作为调谐元件，使得激光输出线宽被压窄的同时，在 750nm810nm 范围内连续可调。 其次， 通过比较单横模与单频连续绿光激光器分别 作为泵浦源获得的钛宝石激光输出功率及稳定性曲线，证明了单频绿光激光器泵浦 的钛宝石激光器的效率以及稳定性都要优于单横模激光器。最后，当单频绿光激光 器的功率为 4 w 时，在 780nm 处钛宝石激光器在单频状态下输出功率达 670mw， 光束质量因子25cm 的大晶体。而热交换法生长的晶体，尺寸较小， 但往往能获得光学质量较好的晶体。细而长的光纤晶体，则采用激光加热基座法 （laser-heated peated pedestal growth method） 生长。 生长钛宝石晶体最主要的困难是 如何提高激活离子 ti3+的浓度，同时克服 ti3+的变价。ti3+浓度越高，激光效率越高。 ti2o3在熔融的 al2o3中的熔解度仅为 1wt%以下，一般所得晶体 ti3+浓度为 0.03% 0.1wt%，而且生长中变价产生的 ti4+将导致晶体在红外波段的自吸收，使品质因数 fom 值降低。生长工艺和热处理技术的关键是使晶体的三价离子浓度尽可能提高， 而且稳定，同时减少四价离子的比例。 测量钛宝石晶体内纯粹的 ti3+浓度在技术上有很大困难， 一般从其绿光吸收峰的 吸收系数来进行推算，ti3+浓度越高，相应的吸收系数越大。r. l. aggarwal23测定的 二者关系为： 3 490 (wt%)(0.0320.03)ti + + (2.3) l. g. deshazer 推算为： 13 532 1.0cm ()0.07%(ti wt%) + (2.4) 随着科学和技术的不断进步，钛宝石晶体的质量不断提升。目前为止，一般应 用的晶体，大都用提拉法进行生长，相对来说，这种方法晶体生长的效率高，成本 低，便于获得大批量晶体产品和大尺寸晶体。 2.3 ti2.3 ti 3+3+的宽带二能级激光系统 的宽带二能级激光系统 只有具有宽带荧光光谱的激光介质，才可能作为可调谐激光器的激光工作介质。 这些介质的激光发光机理是一种“宽带二能级激光系统” ，即具有宽带吸收谱和宽带 发射谱的激光系统。到目前为止具有宽带二能级结构的激光介质主要有：染料分子 和过渡金属离子，以及部分稀土离子，各种宽带谱激光介质的能级结构基本相似， 大体上可分为两类：一类是具有三重态能级结构的激光系统，如染料分子。它们不 仅具有能产生激光的单态激光能级系统，而且还有一个抑制荧光量子效率的三重态 能级系统。另一类是没有三重态能级的激光系统，如过渡金属离子，它们中有些激 光系统却存在受激态吸收，它对荧光量子效率有影响，ti3+即属于这种类型。 第二章 全固态连续单频可调谐钛宝石激光器 13 图 2.9 过渡金属离子能级图 图 2.10 等效的四能级激光系统(准四能级激光系统) ti3+的这种宽带能级结构所形成的激光系统，我们可将它看作是一种等效的四 能级激光系统，也称准四能级激光系统。图 2.9 为宽带二能级，图 2.10 为相应的等 效四能级激光系统对照图。这里，基态 s0的最低能级 a，即四能级激光系统的基态 能级；第一受激态 s1最低能级 b，相当于四能级激光系统亚稳态，即为激光上能级； 而四能级系统激光下能级，在这里是 ti3+基态宽带能级 s0的某个能级 ai。 连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 14 图 2.9 所示的 ti3+能级结构，其不存在三重态能级结构，但存在 s1s2跃迁的 受激态吸收，s1s2能级的间隔，与 s1s0辐射跃迁能级间隔相近。当其受激吸收 截面 esa()值较大时，将对激光产生较强的受激态吸收。但受激态 s2s1弛豫极快， 通常远小于 1ns，可认为受激态 s2没有粒子数集居，所有被激发到 s2的粒子，最终 都将集居到 s1上，而以 s1s0跃迁发光。因此，这种具有多受激态的离子，其发射 光谱往往与泵浦光波长无关，对泵浦光波长有极好的适应性。不过，如果受激态吸 收较强，激光将遭受附加损耗，从而会影响激光器的效率。对这种宽带二能级的等 效四能级激光系统的激光动力学过程， 可以用一组速率方程式进行定量描述。 用 n0， n1分别表示s0， s1态粒子数密度 （粒子数/cm3） ,np表示泵浦光子数密度 （光子数/cm3） ,n 表示激光光子数密度（粒子数/cm3） 。其微分方程组可表示为： 11 0111 ( ) ()()( )( ) appesappesae f dn tn cn ncn ncnncnn dt = (2.5) 1 11 ( ) ( )( )( ) eesa fc ndn tn cn necn n dt =+=+ (2.6) 01tot nnn= =+ + (2.7) 式中，c 为光速，a(p)为 s0s1跃迁对泵浦光的吸收跃迁，esa(p)为对泵浦光的受 激态吸收截面，esa()为对激光的受激态吸收截面，e()为受激辐射截面，f为受激 态 s1的荧光寿命，c为谐振腔光子寿命，ntot为总的离子个数。 公式(2.3)中第一项也可表示为 w(t)n0(t)，这里 w(t)是泵浦光的泵浦速率： ( )1 ( )()() () pppappp p p t w tcnfd ah = (2.8) 其中，p(t)为泵浦功率，a 为泵浦光截面积，hp是泵浦光的光子能量，f(p)为泵浦光 归一化光谱分布，有 ()1 pp fd= = (2.9) 对单色泵浦光而言，公式(2.6)可简化为： ( )() (, ) app w tit = = (2.10) 公式(2.4)中，e()为归一化的荧光辐射光谱分布，有 ( )ed = = (2.11) 第二章 全固态连续单频可调谐钛宝石激光器 15 为荧光量子效率；c为谐振腔光子寿命。 由公式(2.4)可以看出，若忽略自发辐射，当受激态吸收和腔损耗过大时，就可 能出现激光淬灭。 2.4 钛宝石激光器泵浦系统 2.4 钛宝石激光器泵浦系统 固态激光器大多数采用光激励的泵浦技术，钛宝石激光器也不例外。光泵浦技 术又分为闪光灯泵浦和激光泵浦两类。尽管闪光灯的使用寿命很长，可达百万次以 上，其放电技术也已十分成熟，但由于其转化效率极低，所形成的激光器件体积较 大，不利于在实际中的使用。所以，目前钛宝石激光器，尤其是连续运转的钛宝石 激光器都采用激光泵浦方式。 可调谐钛宝石激光器采用激光泵浦方式，与固定波长的激光器相比，其形式和 方法基本相同，但技术要求有很大不同，这是由激光介质钛宝石晶体的光谱特性所 决定的，主要区别有以下三个方面。第一，钛宝石晶体的上能级寿命较短，比有些 激光增益介质要短 25 个量级；第二，钛宝石晶体的宽带吸收谱，对泵浦光波长的 适应性强，便于选择泵浦光源，特别是宽带发射谱光源；第三，钛宝石晶体存在的 受激态吸收，对泵浦光有特殊的要求。在钛宝石激光器，尤其是连续单频可调谐钛 宝石激光器研究的初期，泵浦源多采用氩离子激光器。这是因为氩离子激光器的发 射光谱为蓝绿波段，与钛宝石晶体的吸收谱能很好地匹配。但由于氩离子激光器运 转时噪声很大，严重影响了稳频钛宝石激光器的正常运转，而且氩离子激光器的体 积较大，不容易形成结构紧凑的光学器件。基于氩离子激光器的诸多缺点，固体激 光器逐渐取代了氩离子激光器而作为钛宝石激光器的泵浦源。在可以作为钛宝石激 光器的固体激光器中，发展最快，也最为成熟的是全固态绿光激光器。如美国 spectra-physics 公司推出的输出功率达 15w 的单横模 532nm 绿光激光器和美国 coherent 公司推出的 18w 单频绿光激光器。 对于全固态的 532nm 绿光激光器， 尤其是以单频方式运转的 532nm 绿光激光器， 我们研究所早在 1994 年就已经开始研究，并且激光器的输出功率由中小功率逐渐向 大功率发展。目前，已经有部分技术成熟的产品走向了