（光学专业论文）全固态nd：yag瓦级蓝光激光器及准三能级调q激光器的研究.pdf

摘要 摘要 本文从泵浦、耦合、激光晶体、光学谐振腔、声光调q 及倍频的基本理论 出发，对l d 泵浦瓦级蓝光激光器及准三能级调q 运转激光器的基本要素进行 了计算和分析；对激光器的泵浦方式、耦合方式和激光晶体进行了选择；对 n d ：y a g 的准三能级特性及声光调q 对激光输出的影响作出详细的分析：优化 设计了适合调q 运转准三能级激光器的谐振腔；对连续倍频理论进行了归纳并 计算和比较了部分非线性晶体的倍频参数，选择了合适的倍频晶体，实现了瓦 级蓝光的输出。 为了使谐振腔同时具有折叠腔与直腔的优点，在直腔中插入一个热补偿透 镜，计算了插入热补偿透镜的直腔的特征参数值，利用计算机处理a b c d 矩阵， 优化设计出合理的谐振腔。 分析了调q 理论及声光q 开关参量的特点，重点在理论上分析了调q 运转 激光器中放大自发辐射对反转粒子数密度的建立过程、泵浦效率及激光输出功率 的影响。 综合理论和实验条件，研究了适合产品化要求、元器件全部国产化的全同态 4 7 3 n m 蓝光激光器及调q 运转准三能级9 4 6 n m 激光器并通过实验验证。实验在 2 0 w 泵浦功率获得4 9 9 w 的9 4 6 n m 连续激光，获得了峰值功率为1 4 2 5 w 的 9 4 6 n m 准连续激光，脉宽为l o o n s ，重复频率为8 k h z ；在泵浦功率为1 8 3 w 时， 获得1 0 2 w 的4 7 3 n m 连续蓝光，1 0 0 m w 的4 7 3 n m 准连续蓝光，光光转换效率 为5 5 ，发散角2 m r a d ，稳定性3 ； 关键词：l d 泵浦；准三能级；声光调q ；自发辐射；蓝光； a b s 1 1 r c t a b s t r a c t b a s eo nt h eb a s i ct h e o r yo fp u m p ，c o u p l i n g ，l a s e rc r y s t a l ，o p t i c a lr e s o n a t o r , a c o u s t o o p t i cq s w i t c ha n df r e q u e n c yd o u b l i n g ，w ec a l c u l a t e da n da n a l y z e dt h ef a c t o r o fl dp u m p i n gb l u el a s e ra n dq - s w i t c h e d q u a s i - t h r e e - l e v e l l a s e r c h o s et h e c a l c u l a t e dm o d eo fp u m pa n dc o u p l i n gf o rl a s e r a n a l y z e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f q u a s i t h r e e 1 e v e la n dq - s w i t c he f f e c t e do no u t p u tl a s e r i m p r o v e dt h er e s o n a t o rf o r q s w i t c h e dq u a s i t h r e e 1 e v e ll a s e r a n dc o m p a r e ds o m en o n l i n e a rc r y s t a l st oc h o o s ea c a l c u l a t e do n e b l u el a s e rh a sb e e nw a r so fo u t p u tl e v e l i no r d e rt h a tt h e r ea r et h ev i r t u e so ff o l d e dc a v i t ya n ds t r a i g h tc a v i t yi nr e s o n a t o r , w ei n s e r t e dat h e r m a lc o m p e n s a t i o nl e n si nc a v i t y t h e nc a l c u l a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e ro fc a v i t y a n dc a l c u l a t e dt h ea b c d m a t r i xb yc o m p u t e r w ea n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro fa c o u s t o o p t i cq s w i t c h e m p h a s i so nt h et h e o r yo f t h a ts p o n t a n e o u sa c t i v i t ye m i s s i o na m p l i f i c a t i o no fq s w i t c h e dl a s e re f f e c t e do nt h e b u i l d i n go fi n v e r t e dp o p u l a t i o nd e n s i t y , t h ee f f i c i e n c yo fp u m pa n dt h eo u t p u tp o w e r o f l a s e r w es y n t h e s i z e dt h et h e o r ya n de x p e r i m e n tt or e s e a r c ha4 7 3 n mb l u el a s e ra n da q s w i t c h e dq u a s i t h r e e - l e v e ll a s e lw h o s ea l lo p t i c a le l e m e n t sa r em a d ei nc h i n a i n e x p e r i m e n t ，w eg o t4 9 9 wc wo u t p u tl a s e ra n dt h ep e a kp o w e rw a s 14 2 5w ( i m p u l s e w i d t hw a s10 n s ，r e p e t i t i o nf r e q u e n c yw a s8 k h z ) o u t p u tl a s e ra t9 4 6 n mw h e nt h e p u m pp o w e rw a s2 0 w a n dw eg o t1 0 2 wc w a n d10 0 m wq c wo u t p u tl a s e ra t 4 7 3 n mw h e nt h ep u m pp o w e rw a s18 3 w t h eo p t i c o p t i ct r a n s f e re f f i c i e n c yw a s 5 5 ，t h ea n g l eo fd i v e r g e n c ew a sl e s st h a n2 m r a d ，a n dt h es t a b i l i z a t i o nw a sl e s st h a n 3 k e y w o r d s ：l dp u m p ；q u a s i - - t h r e e - - l e v e l ；a c o u s t o - o p t i cq - - s w i t c h ；s p o n t a n e o u sa c t i v i t y e m i s s i o n ；b l u el a s e r 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：日期： 关于论文使用授权的说明 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：导师签名：日期： 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题背景 相对闪光灯泵浦激光器而言，激光二极管( l d ) 泵浦的固体激光器因其高 效、紧凑、使用寿命长、且易获得高质量光束等特点而更具有优势。而蓝光激光 器除了具有一般激光器的特性之外，由于其输出的激光波长更短，是可见光，因 此，它不仅在彩色显示、复印、打印、检测、分析、全息、医学诊断与治疗、娱 乐与军事等方面能得到极其广泛的应用，尤其在高密度存储方面，可满足计算机 用户对存储量增长的需求。随着大功率半导体激光器工艺的成熟和提高，成本的 不断降低，采用激光二极管泵浦n d ：y a g 晶体，经过非线性晶体倍频获得瓦级输 出4 7 3 1 1 i n 蓝光的全固态激光器已经成为获得蓝光的一个热点【卜3 1 ，可以使用腔外 或腔内倍频的方法获得蓝色激光【4 1 。对9 1 4 n m 波长的n d ：y v 0 4 激光器进行腔内倍 频可得：至l j 4 5 7 n m 的蓝光输出【5 1 ，而对9 4 6 n m 波长的n d ：y a g 激光器进行腔内倍频获 得4 7 3 n m 的蓝光是目前获得蓝光的最有效手段之一【6 8 1 。 以前低功率且能输出蓝光的激光器主要是空气冷却的a r + 与h e c d 两种气体 激光器。而这两种激光器具有致命的弱点，即效率低、体积大、电功耗大( 一般 所需的电功率要在几百瓦至几干瓦之间) 、寿命短( 尤其是h e c d 激光器) 、模式 较差、光学噪音过大，而且价格也较昂贵。微小型、高效率、全固化、低功率蓝 光激光器与上述两种气体激光器相比，其明显的优点是： ( 1 ) 振荡稳定； ( 2 ) 电功耗低，只需数十瓦( 大约为空冷a r + 激光器的1 3 0 ，h e - _ c d 激光器的 1 8 ，半导体激光器则更小) ； ( 3 ) 寿命长，至少可在1 5 0 0 0 d 、时以上； ( 4 ) 小型化，其体积不足空冷a r 激光器的2 3 、h e c d 激光器的1 2 ； ( 5 ) 光束质量好，空间模式可实现t e m o o 模，且激光光束质量m 一i ：l 广。 ? 1233 1l d ：2 , 3 球面镜；4 激光晶体；5 输 上j 镜 1l d ；2 , 3s p h e r i c a lm i r r o r ；4l a s e rc r y s t a l ；5o u t p u tm i r r o r 图2 1 光学系统耦合示意图 f i g 2 1c o u p l i n gs y s t e mc o m p o s e do ft w os p h e r i c a ll e n s 为了使泵浦光斑与激光光斑匹配，应使激光半径与泵浦光的聚焦半径满足最 佳的比例。泵浦源为输出功率2 0 w 的光纤耦合半导体激光器，在室温下，发射 中心波长为8 0 6 6 n m 。经光纤耦合后泵浦光的出射光斑半径为2 0 0 9 m ，数值孔径 o 2 2 ，泵浦光用两个尺寸以及参数相同的平凸镜，准直、聚焦成半径2 0 0 9 m 后注 入n d ：y a g 晶体内部。 2 2 激光晶体 2 2 1 激光晶体的选择 常用于腔内倍频产生蓝光的激光晶体主要有c r ：l i s a f 、n d ：y a g 、n d ：g d v 0 4 、 n d ：y v 0 4 和n d ：y a l 0 3 等。有人将c r 4 + 和n d 3 + 一起掺到y a g 形成n d 3 十c r 4 + ：y a g 自调q 激光晶体，并用8 0 8 n m 的l d 端泵，k n 腔外倍频，也得到蓝光激光。困 难是该晶体长度很难选取到最佳值。其中n d ：y a g 能够产生4 7 3 n m 、n d ：g d v 0 4 和n d ：y v 0 4 产生4 5 7 n m 的激光输出。 表2 1 三种激光材料的比较。 t a b l e2 1p r o p e r t i e so f n d ：y a g , n d ：g d v 0 4a n dn d ：y v 0 4 兄( n m ) 仃( 1 0 1 9 c m 2 、r ( g s )昕( 10 。2 5 c m 2 s 1 盯o ( 1 0 。2 0 c m 2 ) 9 ( w c m 1 阳 n d ：y a g9 4 6 4 32 3 0 9 8 97 0 1 3 n d ：y v 0 4 9 1 41 9 59 518 0 52 70 0 5 3 2 n d ：g d v o d9 1 27 61 0 07 6 00 3 2 60 1 1 北京丁业人学理! 硕i ? t # 、i p 论文 可以看出三者激光波长都与l d 的中心波长8 0 8 n m = l 较近。n d ：y v 0 4 吸收截 面积( 盯) 大，所以吸收系数大；热导率( p ) 小，适用于薄片状端泵中小功率 激光器。由于n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 的荧光寿命短，不宜用于脉冲激光器。而 n d ：y a g 的荧光寿命长，适合于脉冲激光器。n d ：y a g 的阈值功率比n d ：y v 0 4 的 阈值功率小且斜效率高。而且n d ：y a g 产品生长技术成熟，所以选用n d ：y a g 晶 体作为增益介质。n d ：y a g 的重要物理和光学性质【1 5 】如表2 2 所示。 表2 2n d ：y a g 物理和光学性能 t a b l e2 - 2t h ep h y s i c a la n do p t i c a lp r o p e r t yo f n d ：y a g 化学式 n d ”：y 3 a 1 5 0 1 2 n d w t ( 重量百分比)0 7 2 5 n d a t ( 原子百分比) 1 0 n d 原子数( c m 。) 1 3 8 1 0 2 0 熔点( ) 1 9 7 0 克氏硬度 1 2 1 5 密度( g c m 。) 4 5 6 断裂应力( 1 0 3 k g c m 。3 ) 1 3 2 6 弹性模量( k g c m 3 ) 3 线宽( a ) 4 5 热膨胀系数( x1 0 6 1 ) 1 0 0 】取向 8 2 【1 1 0 取向 7 7 【1 1 1 】取向 7 8 受激发射截面( c m 2 ) 1 0 6 4 n m2 8 x1 0 一1 9 9 4 6 n m3 7 1 0 2 0 弛豫时间4 i 2 - 4 1 9 2 ( 岬) 3 0 折射率 1 8 2 ( 波长兄= 1 0 z m ) 散射损耗( c m 。) 0 0 0 2 掺钕钇铝石榴石( n d 3 + ：y 3 a 15 0 1 2 ) 常简写为n d ：y a g ，是在作为基质的钇铝 石榴石y 3 a 1 5 0 1 2 晶体中y 3 + 被激活离子n d 3 + 取代而形成的。n d 3 + 的含量在l a t 左 第2 章理论分析 右( 原子百分数) ，呈淡紫色。y a g 属于立方晶体，o h m 3 m 点群，光学上各向 同性，硬度高【1 6 】。物理与光学特性是选择激光晶体的首先考虑的因素。 表2 2n d ：y a g 物理和光学性能 t a b l e2 - 2t h ep h ) r s i c a la n do p t i c a lp r o p e r t yo fn d ：y a g 化学式n d 3 + ：y 3 a 1 5 0 1 2 n d w t ( 重量百分比) 0 7 2 5 n d a t ( 原子百分比) 1 0 n d 原子数( c m 。3 ) 1 3 8 1 0 2 0 熔点( )1 9 7 0 克氏硬度1 2 1 5 密度( g c m 3 ) 4 5 6 断裂应力( 1 0 3 k g c m 。3 ) 1 3 2 6 弹性模量( k g c m 。3 ) 3 线宽( a ) 4 5 热膨胀系数( 1 0 6 1 ) 1 0 0 g 叹向 8 2 【1 1 0 取向 7 7 1 1 1 取向 7 8 受激发射截面( c m 2 ) 1 0 6 4 n m28 1 0 。1 9 9 4 6 n m3 7 1 0 。2 0 弛豫时间4 z l i 2 - 4 1 9 2 ( “s ) 3 0 折射率 1 8 2 ( 波长兄= 1 0 z m ) 散射损耗( c m 。1 ) 0 0 0 2 从表2 2 中可以看出，n d ：y a g 有着大的硬度，大的热导率，尽管很多商业二 极管泵浦固体激光器也大量使用n d ：y v 0 4 ，但上面的很多性能是n d ：y v 0 4 无法比 拟的1 7 1 。另外，n d ：y a g 的吸收截面不是偏振相关的，这给横向泵浦或随机泵浦 带来了方便。 总之，n d ：y a g 是迄今实用化程度最高的激光晶体【1 4 】，既可连续、准连续运 转又可脉冲工作，既可做成中小功率和微片激光器，又能做成千瓦级高功率固体 北京t 业人学f f l ! 学硕i 毕q k 论丈 激光加工机。并且还能以调q 、锁模等多种方式运转。晶体的生长工艺也经过多 年实践，获得了不断的完善提高，目前市售的n d ：y a g 棒其光学质量是相当好的。 现在很多蓝光激光器中使用的是三明治型复合激光晶体，即在掺杂了n d 3 + 离子y a g 两端接上不掺杂离子的y a g 。由于y a g 晶体对泵浦光不产生任何吸收 作用，因此复合晶体中的散热主要是通过扩散结合面，使热从掺杂部分传向不掺 杂部分再通过外部制冷系统把热量散发掉。但是这种晶体造价高，提高了激光器 的成本，所以我们还是使用普通n d ：y a g 晶体。 2 。2 2 激光晶体最佳长度 对n d ：y a g 晶体9 4 6 n m 谱线距离8 0 8 n m 较近，存在强烈的自吸收现象。增加 增益介质的长度，可以增加泵浦光的吸收效率，但是也增大了对9 4 6 n m 的吸收损 耗。在激光阈值公式中有两项与晶体长度z 有关，当晶体长度增加时，晶体对 泵浦光吸收增大，但同时晶体的再吸收项也增加。 给定泵浦光斑半径和振荡光斑半径的条件下，求解在不同输出镜透过率时 候，激光的阈值随晶体长度的关系，如图2 3 所示。 a s e rt h r e s h o l dv a l u ea td i f f i r e n ti t 图2 2 激光阈值和晶体长度和透过率的关系 f i g 2 - 2l a s e rt h r e s h o l da c c o r d i n gt ol e n g t h & t 由图2 3 可知输出镜的透过率越高，阈值越大，对于一定的透过率，当晶体 长度取在2 。5 m m 范围内，阈值变化不明显，而晶体在l m m 范围内时，阈值变化强 第2 章理沦分析 烈。激光晶体的最佳长度随着激光器输出镜透过率的增加而增加。 因此，对应每一个透过率都存在一个最佳长度，使得激光的阈值最小。通 口e x p ( - a t 。) ( 2 c r n l 。+ l + t + 2 。- ：) ，。) 一2 刮、，? ：0 ( 2 - 1 ) 在不考虑泵浦光的光斑半径在激光晶体内扩散时，讨论晶体在最佳长度下激 光阈值同掺杂浓度之间的关系。可以把激光的阈值中的吸收系数用吸收截面与 0 表示： p：坐垒土塑型兰窖塑(2-2)p ，”! ：二- - - - - - - - - - - - - - - ，, t h 4 f a r r ( 1 一e x p ( 一n o o - ) ) 输出镜的透过率一定时，其他参数不变，考虑不同掺杂浓度时，不论n o 怎样 变化，整个函数除了横坐标拉长或缩短以外，激光的阈值并无变化，只要激光的 输出镜一定，则激光晶体的最佳长度同晶体的掺杂浓度的乘积为定值。因此，在 设计端面泵浦激光器时，应该选择掺杂浓度高的晶体，原因是如果选择低掺杂的 晶体，虽然理论上在最佳长度上阈值相等，但端面泵浦光由于晶体长度的增加， 会使泵浦光的平均光斑半径增加，导致阈值实际上有所提高【1 8 】。 对n d ：y a g 晶体9 4 6 n m 谱线为准三能级系统，要求激光晶体工作在较低的温 度环境下，需要对激光晶体强制冷却。稳态工作时谐振腔内光子数为： ：_ _ 冬当i _ _ ( 2 - 3 ) 堕坐蛙一一c a t ( 型) 2 l d ( d + 2 1 以、2 d 7 4 = 艿+ 2 a ，为考虑q 后的腔内往返总损耗。d = ( c o o c o 。) 2 为振荡光与泵浦光平 均横截面积之比。a ，= n a a r 为再吸收损耗因子。l 为增益介质的长度。n 为增益 由p 。，= ( h v o c 2 l ) t s ，r = ( p r l p 7 7 。h v p ) 得： i 。j o u t ：i 妻簪丝望_ _ ( 2 4 ) 4 ( d + 1 ) 2 2 a ，l ，1 + d 、 r d ( d + 2 1 n、2 d 7 北京t 、i k 人学理学硕l ：毕、i p 论文 上式中，r ，= 譬刁p 7 7 。，r 。为增益介质的吸收效率，1 7 ，为泵浦效率，v o 门v 。 。 的频率，y 。为泵浦光的频率。当n d 离子掺杂浓度为1 0 a t m ，输出镜对9 4 6 n m 的 透过率t = 5 时；忽略内部损耗，吸收系数取5 c m ；通过计算，端面泵浦最佳长 度为5 m m 。不但对8 0 8 n m 泵浦光有较高吸收效率，又降低对9 4 6 n m 的基波的吸收 损耗。 2 2 3n d ：y a g 晶体的准三能级 在n d ：y a g 中，对激光有贡献的吸收带有五条，其中0 8 1 “m 为中心的吸收带 吸收最强，它对应的能级为4 e ，：+ 2h 9 ，：。受半导体材料及工艺所限，这个吸收 带在激光二极管泵浦固态激光器中得到广泛应用。 图2 3n d ：y a g 激光能级图1 9 1 ，4 历，2 为亚稳能级( 激光上能级) ，4 ，2 ，4 m ， 4 厶，：都可作为激光下能级，4 厶，：为激光的基态。 、 c 适 蓍量 i ； 1r 1， _ 一 1 r 一，” f 3 r 2 4 i l 耽 4 l 】玑 4 1 i i l l 2 i 、 一k 图2 3n d ：y a g 晶体主要跃迁能级图 f i g 2 3t h ee n e r g yl e v e lo fn d ：y a g 在光泵浦下，n d 3 + 离子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 e 2 ，由4 曩，：向下能级自发辐射产生荧光。室温下n d ：y a g 在近红外区有 2 0 8 6 4 2 o 田暑xl000ciii二v 第2 聋理论分析 三条明显的荧光谱线，其中心波长和对应的能级跃迁为： o 9 4 6 9 m 4 e ，2 专4 厶2 1 0 6 9 m 4 e 2j 4 l ，2 1 3 2 9 m4 e 2 专4 m 其中以1 0 6 9 m 处的谱线最强。4 e ，：向4 ；，：，4 眦的跃迁都属于四能级系统， 阂值低，易于实现激光振荡，经过倍频便可获得5 3 2 m n 绿光、6 6 0 n m 红光输出。 而4 e ，专41 9 ，：( 对应9 4 6 n m 谱线) 的跃迁属于准三能级，阈值高，这一谱线的 起振，只有在高泵浦功率密度，良好的致冷条件下，以及充分抑制了其它两条谱 线起振后才能实现，通过倍频即可获得4 7 3 n m 蓝色激光输出【2 0 1 。 n d ：y a g 晶体的9 4 6 n m 谱线对应于4 只，一4 厶，：跃迁，激光下能级是基态的一 个斯塔克分裂能级【2 1 】( 8 5 2 c m 一，而1 0 6 4 n m 谱线下能级则为2 0 0 0 0 c m 。1 ) ，分裂能 级上的粒子数布居服从玻耳兹曼分布率，激光下能级与基态能级的平衡粒子数由 公式，n 2 = e x p ( 一e 七丁) 决定【1 4 】，其中，e 为两个能级问的能量差，丁为增 益介质温度，k 为常数( 常温下激光下能级粒子数分布占基态总粒子数分布的 0 7 4 ) 。可见温度越高，下能级热粒子数分布越多，实现粒子数反转也就越困 难，显然，要实现9 4 6 n m 激光运转，降低增益介质的温度是非常必要的。 利用传统的闪光灯泵浦的方法，只有在液氮温度下才能实现9 4 6 n m 激光输 出。而随着半导体激光器的出现和功率的不断提高，采用l d 做泵浦源实现了 9 4 6 n m 准三能级激光器在常温下的运转。其原因主要在于：( a ) 泵浦光功率密度比 灯泵浦时大，小信号增益也就大，一定程度上弥补了阈值高的缺陷。( b ) 由于激 光二极管辐射的方向性和小角度，从而可实现端面泵浦方式，这无疑大大减小了 泵浦光斑的尺寸，使阈值进一步降低。这可从准三能级系统的阈值公式看出。( c ) 泵浦光的波长更接近于发射激光的波长，量子亏损发热减少了；l d 泵浦光的带 宽只有3 n m 左右，激活离子吸收带范围之外的泵浦辐射造成的基质材料的发热也 完全消除了。 就四能级系统而言，工作物质对泵浦光的吸收应该尽量多，而对于准三能级 来说，事情并不是这样。因为从实用角度讲，工作物质的温度不可能太低( 般 北京丁业人7 ：理学硕i j 牛业论文 控制在1 5 2 0 ) ，这样就导致激光下能级不可能是空的，而是布居了一定数量 的粒子，从而导致激光下能级布居粒子吸收腔内激光光子跃迁至高能级而产生所 谓的基态再吸收损耗。基态再吸收损耗导致阈值的增加，所以说，在准三能级系 统中，对泵浦光的充分吸收和激光阈值的降低是一对矛盾体，只能在其中合理地 折中。利用阈值公式得出准三能级阈值最小时的晶体长度【2 2 】i 芮足下式： 口口e x p ( 一耐) ( 塾盟+ l + 瓦+ 2 仃，研旷2 0 - 3 n o ：0 ( 2 - 5 ) 各物理量取：以= 3 8x 1 0 。2 0 c m 2 ，l = 0 0 2 ，五= 0 0 2 ，当掺杂为1 o a t 时， 肿：1 1 1 0 1 s c m - 3 ，口。= 5 c m 一，口= 8 c m 一，利用上式可以得出阈值最小时的晶 体长度约为5 m m 。 2 3 谐振腔的设计 2 3 1 谐振腔的选择 按照振荡光的行进方向，激光谐振腔可分为两种类型：驻波腔及行波腔。行 波腔结构复杂，一般只用来获得单频激光输出。而驻波腔结构简单，调整方便， 为大多数激光器所采用，但由于空间烧孔效应，为多纵模运转。 m 1o c ( a ) o c m i m 2 _ - _? o cm 3 1a i 一 图2 4 驻波腔的几种基本结构 ( c ) f i g 2 4t h eb a s i cs t r u c t u r e so f r e s o n a n tc a v i t y 第2 章理论分析 驻波腔典型结构示意图如图2 5 所示，( a ) 为线性腔( 直腔) ，( b ) 为三镜折叠 腔( v 型腔) ，( c ) 为四镜折叠腔( z 型腔) 。折叠腔的优点在于可存在两个以上的 光腰，可将工作物质、倍频晶体分别置于不同光腰，同时满足泵浦光与激光模式 匹配及提高倍频效率的双重要求【2 3 1 ，而直腔在腔内不加入透镜等光束元件时仅 存在一个光腰。但是直腔结构较简单，稳定性也优于折叠腔，有利于激光器的小 型化。因此我们选用直腔，并在谐振腔中插入一个热补偿透镜，可以较简单的直 腔拉长腔长，使其同时具有折叠腔与直腔的优点。如图2 6 所示。 图2 - 5 热补偿透镜不恿图 f i g 2 - 5t h es k e t c hm a po ft h e r m a lc o m p e n s a t i o nl e n s 2 3 2 腔参数的设计 下面根据激光光束的传播理论，以图2 6 为例，采用标准a b c d 传输矩阵 进行参量计算。在此，为了方便起见，将热透镜等效为一个凹面镜。 m i 坠! i 圣! i 图2 - 6 谐振腔示意图 f i g 2 6t h es k e t c hm a po fr e s o n a n tc a v i t y 用g 参数等价腔分析法计算图中三镜直腔的特征参数值2 4 1 。 设镜m ，m ，鸠的曲率半径分别为局，p ( = 2 f ) ，p 2 。各分臂长分别为， 乞，总腔长为l = f l + 乞。以m l 为参考面，其变换矩阵为： 北京丁业人学珲。硕f j 毕业论文 聊= ：三 = 三1 。2 7 1 10。1 l 。1 = 1 三爹i 三尹 c 2 - 回 m = 罢三 = 三三 去0 - 【- a c 三 寺? c 2 7 ， 彳= 6 ( c 一吾 + ( 口一等 ( d 一盖 = ( 一等) ( 另一手一云 + ( 一等一盖+ 考) ( 一一瓦2 l + 面2 1 1 1 2 ) 脚卜豺2 卜等) ( 1 _ 等一瓦l + 面1 1 1 2 ) ：c(=。a一(瓢c2 嘉d 1 + - j ( 多a _ - 2 芸b l 心( c 二2 a 拿l 一瓦2 l + 万2 1 1 1 2 ) ( 另一亭一言) 陪8 ，= ( 一锹另一多一针( ，一等一瓦+ 万) ( 另一亭一言) 一 川卜盖) = 愕) ( 1 _ 州三一等 ( 另一手一瓦2 ) g ，：口一鱼：l - 一1 2 一三+ 丝 粤( p ：p 曼( 2 - 9 ) g ，：d 一生：1 一旦一三+ 丝 p2fp 2p 2 f - 2 0 第2 章理诊分析 体的形状，各向异性以及致冷等边界条件不同而不同。因此热稳定腔型的设计实 际上就是设计出这样的一组腔型：热焦距在较大范围内变化时，腔内激光基模参 量基本不变。如果腔内激光参量随着热焦距的改变而变化很大的话，模式将会失 配，从而导致功率不稳定，输出光束的横向模式也不稳定。因此设计热稳定腔型 是至关重要的。 2 3 3 热焦距的分析与计算 l d 泵浦固体激光器，以其独有的优点，而受到人们的广泛重视。但是激光 晶体的热效应，尤其是热透镜效应对l d 泵浦激光技术产生了重大影响。泵浦光 在激光晶体中高度集中，晶体吸收的泵浦光有相当一部分转换为热能存储在晶体 内部，使得晶体内部温度分布不均匀，引起端面变形，温度梯度，和热应力双折 射等热效应。 热透镜与普通的球透镜并不完全等同，因为热焦距不是一个固定的数值，而 是随着泵浦光强度场不断地改变，热透镜也不是完全中心对称的，它的等效曲率 的分布和激光晶体的形状、各向异性以及致冷等边界条件不同有很大的关系。 具体分析l d 泵浦固体激光器热透镜效应的本质，可以知道，由于半导体激 光器发射的泵浦光光谱与工作物质的吸收光谱能够很好的匹配，大部分泵浦光能 量都能被工作物质所吸收并转化为激光输出，所以，从总体上讲，相对于传统的 灯泵浦固体激光器而言，在半导体激光泵浦固体激光器中，工作物质的热效应应 该小得多。但是，实际上，由于半导体激光器发射的泵浦光能量相对集中且具有 较强的方向性，使得工作物质内泵浦功率密度分布不均，加上泵浦结构中光学耦 合系统的采用及工作物质尺寸的减小等因素的影响，使工作物质内某些区域的泵 浦功率密度极高，温度分布不均，温度梯度加剧。正是由于工作物质内存在温度 分布的极度不均匀，使得工作物质内各处折射率和热应力发生相应变化，最终导 致工作物质热透镜效应和热致双折射效应的产生。因此，工作物质内温度梯度分 布的存在是导致工作物质产生热效应的根本原因。 研究表明，半导体激光泵浦条件下，工作物质中的温度分布特性远比灯泵浦 条件下复杂得多，它不仅与泵浦功率有关，还与具体的泵浦结构参数密切相关。 人们对l d 泵浦条件下工作物质热效应进行了大量研刭2 6 35 1 ，其中包括端面泵浦 的情况，也有侧面泵浦的情况，既包括原理的分析，也包括测量方法的探讨。 北京丁q p 人一理硕i j 毕、i k 论文 热效应几乎影响到激光器性能的各个方面，例如谐振腔的稳定性、腔模尺寸、 输出光束质量等。随着泵浦功率的增大，热效应的影响更为突出。谐振腔内有了 热透镜后相当于改变了原谐振腔的参数，甚至改变了腔的类型。它使模体积缩小、 输出功率降低，因此热稳腔设计就是设计出腔型和腔参数，使得热焦距在较大范 围内变化时，腔内激光基模参数基本不变。如果腔内激光参数随着热焦距的改变 而变化很大的话，模式将会失配，从而导致功率不稳定，发散角增大，方向性变 差，因此，对热效应的研究是全固态激光器研究的重要组成部分。又因为9 4 6 n m 激光阈值很高，光光转换效率很低，故而需要更强的泵浦功率密度，因此蓝光激 光器的热效应将会比红光和绿光激光器更明显，是影响蓝色激光功率和输出稳定 性的重要原因。因此在激光器系统中热稳腔的设计至关重要。 近高斯光束泵浦边缘致冷的圆柱形增益介质的热透镜效应可以近似表示为 一个薄透镜，其焦距，；计算公式为【1 4 j ： 办= 等( 圭鲁帕+ 竿) - l ( 2 - 1 0 ) 其中，圪为泵浦功率，2 为晶体端面面积，a 为热膨胀系数，d n d t 为随温度变 化的折射率变化量，髟为热传导系数，口为晶体对泵浦光的1 吸收系数，r l 热耗 功率系数，c ，一为n d ：y a g 激光棒光弹性系数的函数，l 为增益介质的长度。对 于本课题所选材料，各参数为_ _ d n ：7 3 x 1 0 “oc ，口：8 2 x 1 0 6 k ，：1 8 2 ， r = 0 5 ，热传导系数砭= o 1 8 w ( c m k ) 。 连续波端面泵浦，激光晶体的等效热焦距理论计算值又可以近似表达为【3 6 】： 肛筹一1 ) ( 2 - 1 1 ) 式中郇为泵浦光斑尺寸，掺杂浓度为1 的n d ：y a g 晶体相关的参数为口= 5 c m 。 由图2 7 可知，不同的泵浦功率下热透镜的焦距也不同，而且随着泵浦功率 的提高，热透镜的焦距逐渐变小，热透镜效应变得严重。在设计谐振腔时，首先 应该确定泵浦功率范围，合理选择半导体激光器，然后确定热透镜的焦距范围， 第2 帝理论分析 最后，根据a b c d 矩阵设计谐振腔的参数，就能保证在泵浦功率范围内激光器正 常运转。 7 0 卯 e 邑4 0 2 0 1 0 t h e o r e t i cv a l u eo ff t j ； 、- 、 、? j 1 0 1 52 0药3 03 5 i ( a ) 图2 7 办的理论计算值 f i g 2 - 7t h e o r e t i cv a l u eo f r 2 4 声光调q 的理论分析 调q 技术就是通过某种方法使腔的q 值随时间按一定的程序变化的技术。在 泵浦开始时使腔处于低q 值状态，即提高振荡阂值使振荡不能形成，上能级的反 转粒子数就可以大量积累，能量可以储存的时间决定于激光上能级的寿命；当积 累到一定值( 最好是饱和值) 时，突然使腔的损耗减小，即减小阈值，q 值突增， 激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔 内的光能量，从腔的输出端以单一脉冲形式释放出来，于是获得峰值功率很高的 巨脉冲【3 7 】。 在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低q 值( q o ) 状态，故阈值很高不能 起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t o 时刻，粒子数反转达到最大值 a n ，在这一时刻， 值突然升高( 损耗下降) ，振荡阈值随之降低，于是激光,q 振荡开始建立。由于a n t a n ，( 阈值粒子反转数) ，因此受激辐射增强非常迅 速，激光介质存储的能量在极短的时间内转变为受激幅射场的能量，结果产生了 北京t 、i k 人学理硕l j 毕业论文 个峰值功率很高的窄脉冲。 图2 8 从开始振荡到脉冲形成的过程【3 7 】 f i g 2 - 8t h ee s t a b l i s h m e n to fap u l s e 由图2 8 还可看出，调q 脉冲的建立有个过程，当q 值阶跃上升时开始振荡， 在f = t o 振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数增长十分缓慢，其 值始终很小矽谚，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。只有振荡持 续到f = ，d 时，矽增长到了九，雪崩过程才形成，矽才迅速增大，受激辐射才迅 速超过自发辐射而占优势。因此，调q 脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需 要一定的延迟时间a t ( 也就是q 开关开启的持续时间) 。光子数的迅速增长，使 迅速减少，到，= t p 时刻，吩= a n , ，光子数达到最大值丸之后，由于a n 8 0 ) 、9 4 6 n m 高反射( h r 9 9 8 ) 和对1 0 6 4 n m 增透 ( t 3 0 ) 膜； 热补偿透镜为户1 0 0 m m 的凸透镜；倍频晶体为3 m m x 3 m m 1 0 m m 的l b o 晶体， 双端镀9 4 6 n m 和4 7 3 n m 双波长增透膜( t 9 9 8 ) ；蓝光输出镜为r = 1 0 0 m m 的 凹透镜，镀对9 4 6 n m 高反射( h r 9 9 8 ) 、对4 7 3 n m 高透过( t 6 0 ) 和对1 0 6 4 n m 高透过( t 8 0 ) 。光纤l d 激光器温度控制在2 5 。c ，激光晶体及倍频晶体通过 水冷方式温度控制在1 7 。 图中l ，= 1 5 0 ，l 2 = 3 4 0 。当泵浦功率为1 8 3 w 时，得到1 0 2 w4 7 3 n m 连续激 光输出，光一光转换效率为5 5 ，发散角r 80)、 9 4 6 高反射( h r 9 9 8 ) 和对1 0 6 4 n m 增透( t 3 0 ) 膜；热补偿透镜为 户10m的凸透镜；q开关内晶体为熔融石英，双端镀946nm波长增透膜 北京t , l k 人学理学硕f j 毕、i p 论文 ( t 9 9 8 ) ，q 开关电源输出功率为5 0 w ；9 4 6 n m 波长输出镜为一平镜，镀对 9 4 6 n m 反射( t 5 ) 和对1 0 6 4 n m 高透过( t 8 0 ) 的膜。光纤l d 激光器温度 控制在2 5 ( 2 ，激光晶体及声光q 开关通过水冷方式温度控制在1 7 c 。 l23456 m f ，、1 一 i 卜_ ： 蔓习 v ， 1l d ；2 耦合系统；3 激光晶体；4 热补偿透镜；5 声光q 开关；6 输山镜 1l d ：2c o u p l i n gs y s t e m ；3l a s e rc r y s t a l ；4t h e r m a lc o m p e n s a t i o nl e n s ； 5a c o u s t o o p t i cqs w i t c h ：6o u t p u tm i r r o r 图3 79 4 6 n m 调q 运转激光器光路示意图 f i g 3 - 7t h el a s e ro f9 4 6 n mw i t haa c o u s t o o p t i cqs w i t c h 图中产11 0 ，l 2 = 3 0 0 。不插入声光q 开关时最大可得到4 9 9 w 的9 4 6 n m 激光， 输出功率与泵浦电流关系如图3 8 。 舍6 鼻5 督4 号| 集3 j j 蠢2 星1 葛0 1 01 21 41 61 82 02 22 42 62 83 0 泵浦电流i ( a ) 图3 89 4 6 n m 激光输出功率测量 f i g 3 8t h eo u t p u tp o w e ro f 9 4 6 n ml a s e r 当插入q 开关但关闭q 开关电源时，泵浦功率为2 0 w 时，得- 至t j 4 w9 4 6 n m 激光 输出，插入损耗为0 6 9 w 。 第3 带实验结果及分析 打开q 开关电源，对输出能量进行测量。我们在2 4 3 中分析过自发辐射对调 q 脉冲输出功率的影响，将下列式子联立 力：三堡鉴业二型二竺! 剑 b - a e x p ( 一k t 乃) w p = ( c r l 3 p o il a h v p ) je x p ( 一a z ) d z = ( o 1 3 e ol a l a h v 。) 【1 一e x p ( 一倪纠 ( 异a ) ( n o t h v 。) e = 等- 憎n n t n j 一勺= 吩i n ( n , n i ) 可以得到输出脉冲能量随泵浦能量的变化关系于测量结果进行比较如图3 9 所 示。 是 警 呈 & i n p u tv oi t a i c a 图3 9 输出脉冲能量随泵浦电流的变化关系 f i g 3 9o u t p u tp u l s ee